现代电视技术教案Convertor

1现代电视技术电子信息工程系2011年2月12教师：梁波手机：1399139948423教学内容：基本概念和基本理论技术发展及现实应用教学方式：前后章节内容相互穿插课堂师生之间相互交流34考核方式：平时考勤考察期终闭卷考试教学目的：教书育人45什么是电视？电视系统电视系统通常由信源（如摄像、录像）、信道（传输）、信宿（如显像、录像存储）等3部分组成。信源：摄影、光盘、磁带等存储的影像信息；传输：无线：（微波、卫星）；有线（铜缆、光缆）；网络（局域网、广域网）。信宿：电视机、光盘、磁带等存储设备。56电视系统的演变与发展：从画质上看，由最初的黑白电视发展到彩色电视，由低清晰度电视（LDTV）（约为300线）、普通清晰度（SDTV）（不足500线）、增强清晰度电视（EDTV）（不足600线）到高清晰度电视（HDTV）（1000线以上）以至超高清晰度电视（UDTV）(4000线)；从信号上看，由模拟电视向数字电视发展；从器件上看，由电子管电视机到晶体管电视机、集成电路电视机、智能电视机（设置了单片机技术）；67从屏幕上看，有小尺寸到大尺寸，从有屏幕到无屏幕。由彩色显像管电视（CRT）到背投电视（RPTV）、等离子电视（PDP）、液晶电视（LCD）、有机发光显示器（OLED）至今后的薄膜电视、3D立体电视直至最终的无屏全息电视。78电视系统的分类按照不同的标准，电视系统可以有不同的分类方法。例如，可以分为：广播电视系统与应用电视系统；有线电视系统与无线电视系统；模拟电视系统与数字电视系统；普通（标准）清晰度电视系统与高清晰度电视系统；单业务电视系统与多业务电视系统等。一般情况下，各种分类方法可能会有些交叉，没有严格的界限。89图1-1电视系统分类示意图广播电视应用电视地面广播卫星广播有线广播电视监控教学电视医用电视测量电视可视电话银行超市交通工矿小区视频展示台教学实录实时双向电视传输系统眼底电视X光电视微显电视内窥镜电视厚度测量缺陷测量分类、记数9101011第一章彩色电视色度学基础第二章电视图像转换原理与电视信号第三章彩色电视制式第四章广播电视信号的发射第五章卫星电视传输系统第六章有线电视系统第七章彩色电视接收机第八章数字电视基础第十章显示器技术第十一章数字高清电视1112第一章彩色电视色度学基础电视传送景物的过程，就是把一幅幅光学图像转换成电信号再进行传输，然后再把电信号接收、恢复成正确的光学图像。同时，电视是要用人眼去观看的，所以彩色电视的基本理论是建立在色度学和视觉生理学基础之上的，因此要掌握电视技术，必须从电视技术的角度去了解光、色彩与视觉生理的基本特性。因此，在介绍电视系统之前，应该先了解光和色度学的基本知识。12131.1光的特性在地球上，太阳是照亮大自然的光源之一，它是热、光和各种射线的辐射体。本质上，光兼有波动特性和微粒特性，光是属于一种与无线电波相同的电磁波，携带电磁辐射能量的电磁波中的很小一部分，通常称之为光波。五光十色的自然界，是由光波载入人眼在视网膜上成像，经光敏细胞、视神经传递到大脑视区，再经综合处理而产生了中性白光的视觉。图？太阳光谱辐射功率分布13141.1.1可见光谱1415从电视角度看，可见光有如下特性：1、人眼能够感觉到的可见光谱只是集中在电磁波谱5×1014Hz附近很窄的一段频率范围内，其波长为380nm~780nm（1nm=10-9m）。15162、当作用于人眼的可见光的波长从长（780nm）到短（380nm）依次变化时，在人眼中引起的颜色感觉是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种色带。16173、380~780nm之间有400nm之差，即使1nm的波长对应一种颜色，也有400多种颜色，实际自然界的颜色远不止400种。用五颜六色，五光十色是不足以描述的，应该用色彩纷呈、色彩斑斓、万紫嫣红来概括。17184、不同波长的光所呈现的颜色各不相同。只含有单一波长的光称为单色光（谱色光）；包含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光。太阳光是由不同波长的无数单色光所组成的复合光，这说明太阳光是包含全色谱的复合光，给人眼以白光的综合感觉。18195、太阳发出的白光中包含了所有的可见光，假如把一束太阳光通过三棱镜后，由于波长折射率不同，便分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的彩带（在整个色谱范围内，各种颜色是不会突变的而是从一种颜色慢慢地融合并渐变为另一种颜色，其界线是不明显的）。被分解之后的色光，若再次经过棱镜，它是不能再分解了，这种单一波长的色光称为谱色光。1920广播电视只是利用可见光谱范围。而对于应用电视，波谱范围就大为扩展。例如，紫外电视用于生物研究、医疗诊断、工业探伤等方面；红外电视可用于夜间侦察、跟综制导、宇宙开发、激光研究、气象研究等方面。这些应用所涉及的波谱范围可宽达20nm~14000nm。2021这里需要特别指出的是，不能从看到的颜色来判断光谱的分布，换句话说，颜色和光谱不是一一对应的。因为，一定的光谱分布表现为一定的颜色，但同一颜色则可由不同的光谱分布而获得。例如，黄色可以由单一波长的黄光产生，也可以由不同波长的红光和绿光按一定比例混合而产生，二者给人的颜色感觉却是相同的。21221.1.2色温和标准光源在彩色电视系统中，一般选用白光作为照明光源。但不同的白光，它们的光谱功率分布并不相同，也将引起彩色视觉的差异，如光谱能量偏重于波长较长端（红色区）的“暖白光”，到光谱能量偏重于波长较短的“冷白光”。为了统一标准，便于描述不同光源的可见光谱的辐射情况，如便于进行白光的比较和色度计算，引入色温和绝对黑体的概念。22231、色温的概念通常的照明光源，如太阳、日光灯、白炽灯等发出的光虽然都笼统地称为白光，但由于发光体物质不同，它们的光谱相差很大，为了比较和区分，目前常采用色温这个概念来描述，色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。所谓绝对黑体也称全辐射体，是指既不反射也不透射的完全吸收人射光的物体，它对所有波长辐射的吸收系数均为1。绝对黑体在自然界中是不存在的，其实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开一个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已不能再逸出到外面，这个小孔就相当于绝对黑体。2324绝对黑体具有一个重要特征：它被加热时，将以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射波谱仅由温度决定。随着温度的增加，不仅亮度（辐射能量）将增大，且发光颜色也随之变化，其功率波谱向短波方向移动，发光颜色中蓝色的分量就越多，红色分量就越少。为了区分各种光源的不同光谱分布与颜色，可以用绝对黑体的温度来表征。因此常把与某一光源光谱相当的绝对黑体的温度称为该光源的“色温”。2425色温的定义：在可见光谱内，光源的光谱与某一温度下的绝对黑体辐射的光谱一样时，该绝对黑体的温度被称为该光源的色温，单位以绝对温度开氏度（K）表示。可见，色温与光源的实际温度无关，它并不是光源本身的实际温度，而是表征光源波谱（分布）特性的参量。如温度保持在2800K时的钨丝灯泡所发出的白光，与温度保持在2854K的绝对黑体所辐射的白光功率波谱一致，于是就称该白光的色温为2854K；又如彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白场色温是6500K。有些光源的光只与某一温度下完全辐射体辐射的光近似，而不能精确等效，这时，把辐射光的特性与光源最相近的完全辐射体温度称为该光源的相关色温。25262、标准光源为了比较和区别各种光源的特性，国际照明委员会（CIE）规定了A、B、C、D、E等几种标准白色光源。A光源：色温为2856K的白光，相当于透明玻壳充气钨丝白炽灯在2800K时所发的光。由于其光谱功率分布在红外区域，所以钨丝灯光看起来不如太阳光白，而总是呈现橙红色。B光源：色温为4874K的白光，相当于中午直射的太阳光。2627C光源：相关色温约为6774K的白光，相当于白天的自然光，又称C白，它是NTSC制彩色电视系统白光标准光源。D65光源：相关色温为6504K的白光，相当于白天的平均照明光，它是PAL制彩色电视系统白光标准光源。E白光源：相关色温为5500K的白光，是一种理想的等能量的白光源，也称为等能白光。它的光谱能量分布是一条平行于横轴的水平直线，在可见光波长范围内，各波长具有相同的辐射功率。这种光源实际上并不存在，仅为了简化色度学中的分析和计算而引入的假设光源。27281967年，CIE推荐使用D65光源作为标准光源，它的能量比前三种光源都大，相当于多云天气的中午的日光。它是对不同时间、不同气候和不同地点的日光谱进行许多测量后，再进行平均得出，所以更接近自然光，作为照明体，物体呈现的色彩更接近于真实色彩。目前世界各国并没有统一的白光标准，1972年我国电视专业会议制式组决定，暂时使用D65作为标准白光源。28291.2人眼的视觉特性人能感觉到图像的颜色和亮度是由眼睛的生理结构所决定的。视觉是主观对客观的反应，视觉包括光觉和色觉，即亮度视觉和彩色视觉。彩色视觉又分为色调和色饱和度。色调指颜色的类别，饱和度指颜色的深浅。从电影到电视、无一不是利用了人眼视觉的某些特性。如视觉的惰性、分辨力、彩色视觉特性等，采用一些技术手段来实现的。对于彩色画面，还利用了人眼的彩色视敏特性和彩色视觉等特性。总之，人眼的视觉特性是电影、电视技术发展的重要依据。29301.2.1视觉灵敏度物体固有的物理特征，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眼的生理结构特点所造成的，人眼的视觉，主要是由于可见光刺激人眼的视网膜引起的。3031人眼的视网膜是由无数光敏细胞组成，这些细胞分为两大类：一类是锥状细胞，约有650万个，锥状细胞既可以分辨出光的颜色，又可辨别光的明暗。另一类是杆状细胞，约有一亿个。杆状细胞只能区分光的明暗，但杆状细胞比锥状细胞具有更高的光敏感度，主要靠它在低照度下辨别明暗。所以在低照度下，杆状细胞能提供微光视觉的视觉响应称为暗视觉。锥状细胞要在较强的光线下才能引起视觉响应，所以它提供明视觉，在较暗处无法辨别彩色。3132图中曲线表明强度相同而波长不同的光（即理想的等白光源—E白光源）作用于人眼时，引起的亮度感觉也是不同的。明视觉也称日间视觉，指的是人眼在白天对各种波长的光的敏感程度，表示的是在白天人眼视网膜的锥状细胞对光的响应；暗视觉也称夜间视觉，指的是人眼在夜晚或微弱光线下对光的敏感程度，表示的是人眼视网膜的杆状细胞对光的响应。3233暗视觉明视觉400500600700λ/nm图??相对视敏曲线0.20.40.60.81.0杆状细胞锥状细胞人眼感觉到最亮的是黄绿色，最暗的是蓝色、紫色，可以看出人眼最敏感的光波长为555nm，颜色为草绿色，这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。33341.2.2人眼的彩色感觉彩色视觉主要靠锥状细胞，它既可以辨别明暗，也可以辨别彩色。罗蒙络夫提出视觉三色原理的假设认为锥状细胞又可以分为三类：红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞，如果某束光线引起某一种光敏细胞兴奋，而另外两种光敏细胞仅受到很微弱刺激，我们感觉到的便是某一种色光。若红色细胞受刺激，则感觉到的是红色；若红、绿敏细胞同时受刺激，则产生的彩色感觉与由黄色光引起的视觉效果相同。显然，随着三种光敏细胞所受光刺激的程度上的差异，还会产生各式各样的彩色感觉。3435不同波长的光对三种光敏细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种与红、绿、蓝锥状细胞特性曲线相似的三种光源进行配色，在色感上得到了相同的效果。因此，当我们在摄取彩色物景时，若用三个分别具有与人眼三种锥状细胞相同光谱特性的摄像管，分别取代三个彩色分量的信号，经过处理、传输，再通过显像管的红、绿、蓝荧光粉受电子轰击发光，转换成原来比例的彩色光，即可实现彩色图像的重现。35361.2.4人眼的分辨力图像清晰度是指人眼对图像细节是否清晰的主观感觉。就电视图像清晰度来说，它受两种因素的限制：一是电视系统本身传送细节的能力，即电视的分辨力；二是眼睛分辨景像细节的能力，称为眼睛的分辨力或视觉锐度。由于人眼对图像细节的分辨能力是有限的，为此，电视的分辨力只要达到人眼的极限分辨力就够了，超过这一极限是没有必要的。3637定义是：眼睛对被观察物上两点之间能分辨的最小距离所对应的视角θ（单位为分）的倒数，即分辨力=1/θ。用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，由图中的几何关系可得：θ=57.3×60×d/L=3438×d/L（’）3738影响分辨力的几个因素：1、光敏细胞：分辨力取决于视网膜上的相邻视敏细胞之间的距离（0.002~0.006nm），视网膜上光敏细胞越密，分辨力越高。2、照明亮度：分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度。当照度较低时，人眼的光敏细胞受到的光刺激的强度小，且只有杆状细胞起作用，分辨力就会降低；然而，当照度太高时，视力不再增加，甚至导致人眼产生了“眩目”，分辨力反而会下降。38393、景物相对对比度：显然，景物与背景的亮度接近，分辨力自然要降低；反之，景物与背景的相对对比度越大，分辨力越高。4、运动物体：随着物体的运动，视觉响应会有所上升，随着运动的速度加快，视觉响应会下降。另外，对于水平方向的平移运动和垂直方向的平移运动，前者的分辨力高于后者，这是因为眼球左右移动方便，容易跟踪物体运动；对于旋转运动的物体，由于眼球不易旋转跟踪，故分辨力低。39405、彩色分辨力：人眼对彩色细节的分辨力。人眼对彩色细节的分辨力比黑白细节的分辨力要低。人眼对色调的分辨力。实验表明，当波长在480nm~640nm范围内，对应红、黄之间的彩色，人眼的色调分辨力较高，特别是对其中500nm的青绿光和600nm的橙黄光的色调变化最敏感；而对于波长大于640nm的紫光及波长小于480nm的红光，色调的分辨力最低。表？人眼对彩色细节的相对分辨力细节色别黑白黑绿黑红黑蓝红绿红蓝绿蓝相对分辨力%1009490264023194041人眼对饱和度的分辨力。实验表明，人眼对不同色调的饱和度变化有不同的敏感程度，人眼对波长为590nm的黄光，能分辨出来的饱和度只有4级，最不敏感；而对红光和蓝光，人眼对其饱和度的改变最敏感，即彩色饱和度分辨力最高，达到25级。41421.2.5视觉的惰性和闪烁感觉实验证明，人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度是不同步的。当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而是按近似指数规律上升；当亮度突然消失后，人眼的亮度感觉并不立即消失，而是按近似指数规律下降。人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留特性。在中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉暂留时间约为50~200ms。4243视觉惰性表明了人眼的时间分辨力有限，若以适当频率对静止画面换幅，则静止画面就可以变成连续的活动图像，从而使视觉惰性在近代电影和电视中得到应用。以电影为例，它依靠快速更换固定的图像（每秒换幅24，每幅曝光两次），利用眼睛的视觉暂留特性在大脑中形成图像内容连续运动的感觉。但是，如果实际景物运动速度过快，以致相邻两幅画面的内容差异过大，则仍会有跳动的感觉。以电视为例？？？？4344人眼受到频率较低的周期性的光脉冲刺激时，会感到一亮一暗的闪烁现象，长期观看容易疲劳。如果将重复频率提高到某个定值以上，由于视觉的惰性，眼睛就感觉不到闪烁了。不引起闪烁感觉的最低重复频率，称为临界闪烁频率。4445临界闪烁频率（fc）与很多因素有关：其中最主要的是与脉冲亮度有关（Lm），脉冲亮度越高，临界闪烁频率越高。实验结果表明，黑白电视屏幕的临界闪烁频率fc=50~60Hz。我国电视场频采用50Hz，其它国家采用50Hz或60Hz。此外，人眼的临界闪烁频率还与亮度变化的幅度有关，亮度幅度变化越大，临界闪烁频率越高。对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼感觉不到闪烁，这时主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。4546fc还与观察距离成反比，即观察距离越近，人眼越易感觉到闪烁；fc随屏幕面积或视角增加而提高，所以大屏幕、高亮度画面会产生闪烁感就是这个道理；fc还与颜色有关，一般来说，蓝光的fc较低，红光次之，黄色的fc较高；46471.3色度学基础色度学是一门研究彩色计量的科学，是彩色电视的理论基础之一。1.3.1彩色三要素描述一种色彩需要用亮度、色调和色饱和度三个基本参量，这三个参量称为彩色的三要素。彩色视觉是人眼对亮度、色调和色饱和度的总效应。47481、亮度：亮度反映光的明暗程度，是指彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉。亮度与色光的能量和波长的长短有关。2、色调：反映彩色光颜色的类别。如红、黄、橙、绿、青、蓝、紫等不同颜色就是指不同的色调。如果改变彩色光的光谱成分，就必然引起色调的变化。3、色饱和度：反映彩色光的深浅程度，即颜色的浓度。同一色调的彩色光，会给人以深浅不同的感觉，如深红和粉红。色饱和度和色调合称为色度，它表示彩色的种类和彩色的深浅程度。在彩色电视系统中，所谓传输彩色图像，实质上是传输图像像素的亮度和色度。48491.3.2三基色原理不同波长的光会引起人眼不同的彩色感觉，两种不同光谱成分的光也可以引起人眼产生与单一光谱相同的彩色感觉。也就是说。不同光谱成分的光经混合能引起人眼有相同的彩色感觉；单色光可以由几种颜色的混合光来等效；几种颜色的混合光也可以由另外几种颜色的混合光来等效，即不同光谱成分的光经混合能引起人眼有相同的色彩感觉，这一现象称为混色。利用这种混色的方法，人们可以只用几种颜色的光来仿制出大自然中大多数的彩色，而不必去考虑这些仿造颜色的光谱成分如何。4950人们在进行混色实验中发现：只要选取三种不同颜色的单色光，并按一定比例混合就可以得到自然界中绝大部分彩色，具有这种特性的三个单色光叫基色光，对应的三种颜色称为三基色。需要说明的是，原则上三基色的选择不是唯一的。所谓三基色原理，是指选择三种独立的基色，将它们按不同比例混合，就可以引起各种不同的颜色感觉，反之，任何彩色，也能分解为三种基色。5051三基色原理告诉我们：（1）三基色必须是相互独立的，即其中任意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。换句话说，自然界中的大多数颜色都可以分解为三基色。（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。5152三基色原理对彩色电视极为重要，它极大地简化了用电信号来传输色彩的技术问题。如果每一种颜色都使用一个与之对应的电信号来传输，那么要同时传输的电信号就非常之多，以至于使彩色电视无法实现。而有了三基色原理，我们只需要将要传输的颜色分解为三基色，它把需要传送景物丰富多彩颜色的任务简化为只需传送三个基色信号（而实际的彩色电视比分别传送三个基色还要简单）。摄像机把图像分解为三基色信号，电视机又用三基色信号还原出原图像的色彩。5253因为人眼的三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最为敏感，所以在红色、绿色和蓝色光谱区选择三个基色按适当比例混色可得到较多的彩色。在彩色电视系统中，选用了红、绿和蓝作为三基色，分别用R、G、B来表示。国际照明委员会（CIE）选定了红基色的波长为700nm，绿基色的波长为546.1nm，蓝基色的波长为435.8nm。5354除三基色原理外，还有二基色原理。虽然用两种基本颜色（如红和绿）相混也可构成彩色电视图像，但就目前的水平来看，其结果是不能令人满意的。这种方法有三个严重的缺点：易失真；再现色域小；色饱和度低。由于这三个缺点，二基色的应用受到限制，详细内容不再讨论。此外，已出现四基色电视机。54551.3.3混色方法把三基色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。混色法有相加混色和相减混色。彩色电视系统中使用的是相加混色的方法，而在彩色绘画、彩色印刷、彩色胶片中采用的是相减混色的方法。为了说明相加混色，可以将三束圆形截面积的红、绿、蓝单色光同时投射到白色屏幕上，呈现出一幅三基色的色圆图，如图？所示。5556其混合规律由图可见：红光+绿光=黄光红光+蓝光=紫光（品光）绿光+蓝光=青光红光+绿光+蓝光=白光上5657注意，不要将绘画中的印刷三基色与彩色电视中的红、绿、蓝三基色混为一谈，必须加以区别。需要说明的是，相加混色后的彩色的亮度是增加的；而相减混色后的彩色亮度是减少的，减少的原因是混合色的反射率降低了。5758考虑到人眼的视觉特性，彩色电视技术中常用的相加混色的方法有三种：（1）时间混色法：将三种基色光按一定顺序轮流投射到某一表面，只要轮换的速度足够快，利用人眼的视觉惰性，就能得到相加混色的效果。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。（2）空间混色法：同时将三种基色光分别投射到同一表面上彼此临近的三个点上，利用人眼空间分辨力有限的特性，只要发光点彼此相距很近，就会产生三种基色光相加混色的色彩效果。空间混色法是同时制彩色电视的基础。（3）生理混色法：利用两只眼同时分别观看两种不同颜色的同一景像时（如左眼观察红色，右眼观察绿光），人们所感觉到的彩色不是两种单色，而是它们的混合色，也可以获得混色效果，这是生理混色法。立体彩色电视的显像方法就是利用了生理混色方法。58591.3.4颜色的度量与表示（计色制与色度图）给定一种颜色，可以找到配出这种颜色所需的三基色的混合比例，确定三基色分量与所需颜色的数值关系由配色实验来完成。彩色和其它物理量一样，可以进行量度和计算，其量度会因所选三基色不同而有所不同，为此人们建立了色度的计算系统和色度图，它可以直观地、全面地说明彩色的量度及表示方法。59601、配色实验配色实验可以通过图？所示的两种方法来进行比色，分别调节三个基色光的强度，直到混合后产生的彩色与待配色的色度和亮度完全一致为止。6061从三基色调节装置上分别读出各个基色的光通量读数，由此可写出配色方程式F=R（R）+G（G）+B（B）式中，F表示待配色的彩色光的彩色量，（R）、（G）、（B）分别表示红、绿、蓝三基色的单位量，R、G、B分别代表三基色调节器的读数，亦称为三基色分布系数。RGB称为物理三基色。6162由于不同的观察者对同一色感所需R、G、B的色系数数值有差异，加上色感与可见光谱波长之间又非单值，因此，1931年CIE规定了配色实验的基色光波长为水银光谱，选用红基色光谱为700nm、绿基色光谱为546.1nm、蓝基色光谱为435.8nm。62631.3.4显像三基色与亮度方程要设计一个彩色电视系统，使重现图像的彩色光的光谱成分与原景物光的光谱成分完全相同，从而达到彩色景物的理想重现，这在技术上是不可能实现的。但根据三基色原理，自然界中绝大多数的彩色都可以通过混色调配的方法仿制出来，混配出的彩色与原彩色对人眼将引起相同的彩色视觉。6364因此，当我们在摄取景物时，若用3个具有适当光谱响应曲线的摄像机分别取代3路彩色光分量的信号，经过适当处理与传送，再通过重现设备转换成原比例混合的彩色光，那么就可以实现彩色景物的正确重现（常称色度还原或同色异谱）。64651、显像三基色彩色电视重现图像是靠彩色显像管屏幕上的三种荧光粉在电子束轰击下发出红、绿、蓝三种基色光混合而得到的，这三种基色称为显像三基色。我们希望选出的显像三基色混合出来的色彩更丰富，同时还要求荧光粉的发光效率尽可能高。由此可见，显像基色由显像管彩色荧光粉决定，彩色显像管是利用空间混色法来重现彩色，由于现代荧光粉达不到CIE规定的三基色（R）（G）（B）。目前荧光粉所能重现的彩色范围只限于CIE色度图上的一个三角形之内。所以，它是以红、绿、蓝3种荧光粉所发出的非谱色光作为显像三基色光，而不能直接采用CIE规定的标准光谱三基色（R）、（G）、（B）。65662、亮度方程在不同的彩色电视制式中，由于所选的标准白光和显像三基色不同，导致亮度方程也互有差异。以C光源为标准白光源的NTSC制彩色电视制式，由显像三基色配出的任意彩色的亮度方程为YN=0.299RN+0.587GN+0.114BN6667同理，以D65光为标准白光源的PAL制彩色电视制式，其亮度方程为YP=0.222RP+0.707GP+0.071BP由于NTSC制式彩色电视广播发展较早，大量的电视设备都按它设计的，所以PAL制中没有采用自己的亮度方程，而是延用了NTSC制式的亮度方程式。为了书写方便，一般应用中，略去显像三基色系数下标，并被近似写为Y=0.30R+0.59G+0.11B6768第二章电视图像转换原理与电视信号电视技术就是根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物的技术。具体地说，彩色电视是根据人眼的视觉特性，利用电子信号的方法把一幅幅光学景像转换成电信号，通过把彩色景物图像的分解、变换、传送及合成再现的过程，实时地传送活动或静止图像，最后再把电信号恢复成正确的光学图像的技术。68692.1电视图像的传送原理根据人眼的视觉特性，自然界景物的色彩要用三个基本参量来描述，即亮度L、色调H、饱和度S。此外，物景的形状可用空间坐标x、y、z表示。如果是活动物景，那么它的外形和相应的色彩还都是时间t的函数，因此，任何自然景物可以用下列的方程组表示：L=fL(x,y,z,t)H=fH(x,y,z,t)S=fS(x,y,z,t)6970如果传送的只是平面图像，则上面的方程组将变为x、y和t的函数。如果对于传送黑白图像的简单情况，上述方程组只留下亮度方程，即L=fL(x,y,t)从技术上讲，即使是传送黑白平面图像，也有很大困难。但是根据人眼视觉特性，我们可以采用空间与时间分割传送的方法，使重现的物景与原像有等效的视觉效果。70712.1.1图像顺序传送原理传递彩色图像信息有两种方法：1、同时传递把摄像端的亮度和色度信息都按图像的本来内容，像照片和电影那样一次性全部传递，要传多少种信息就占用多少通道。这样做，所需通道将非常多，实现起来太复杂，现阶段还不能用这种方法实现即时传递。71722、顺序传递。另一种办法是把被传送图像上的各像素的亮度按照一定的顺序转变成电信号，并依次传送出去（这相当于把亮度转变成单一时间变量的函数）；而在接收端的屏幕上，再按同样顺序将各个电信号在相应位置上转变为光。也就是说，由于人眼的视觉惰性，可以把图像上的像素从左到右、从上到下的顺序逐个传送。这种将图像分解为像素后，按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，这种系统只需一条通道。7273这种顺序传送必须迅速而准确，即扫描装置K1、K2运转速度相同，每一个像素一定要在轮到它的时候才被发送和接收，而且收端每一个像素的几何位置要与发端一致。这种工作方式称为收、发端同步（同频、同相）工作。同步是电视系统中的一个非常基本而重要的特殊问题。在目前的电视系统中，实际上采用的是电子扫描装置。7374这样，像素的传送具有以下两个特点：（1）要求传送速度快。传送时间要小于视觉暂留时间（约50~200ms），重现图像才会给人以连续、活动且无跳动的感觉。（2）要求传送准确。即收发应同步工作。7475将组成一幅图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或由电信号转换成图像的逆过程）称为扫描。如同阅读书籍一样，视线是从左至右、自上而下、一行一行、一页一页地扫过，每个字就相当于一个像素。在图像的顺序传送过程当中，每个像素也是按着从左至右、自上而下的顺序进行发送和接收的，水平方向的扫描称为行扫描，垂直方向的扫描称为场扫描。通过电子扫描与光电转换，就可以把反映一幅图像亮度的空间和时间函数L=fL(x,y,t)，转换为只随时间变化和单值函数的电信号uL=f(t)，从而实现平面图像的顺序传输。同样，在重现图像时也必须采用这种扫描过程。75762.2电视扫描原理把图像上各像素的光学信息转变为顺序传送的电信号的过程，以及把这些顺序传送的电信号再重现为光学图像的过程，是图像的分解与复合过程，也就是在水平空间方向x、垂直空间方向y和时间方向t轴上的三维抽样过程，统称之为扫描，也就是说，电视图像的分解与复合都是靠电子扫描实现的。7677所谓扫描就是电子束按一定规律在靶面上或荧光屏上的运动过程，电子束运动规则可分为直线扫描（电视）、圆扫描（雷达）、扇形扫描（雷达）、螺旋扫描（CT）等多种方式，但在电视系统中，为了充分利用图像的矩形屏幕，并使扫描设备可靠且简单，均采用匀速单向直线扫描方式，且是按照从左到右、从上到下的顺序进行的。为了完成扫描过程，除了需要具有一定动能的电子束轰击荧光屏外，还必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏面上任何一点都能发光而形成光栅，这就是显像管的偏转系统。7778电磁偏转方式中的两组偏转线圈，一组叫水平（行）偏转线圈，另一组叫垂直（帧）偏转线圈。前者产生垂直变化磁场，控制电子束做水平运动，叫水平扫描或行扫描；后者产生水平变化磁场，控制电子束做垂直方向运动，叫垂直扫描或场扫描。电子束在两个磁场的共同作用下，从左到右、从上到下扫描，在摄像管靶上对图像进行分解，在显像管屏幕上形成图像光栅。78792.2.1水平扫描在一对上下对称的行偏转线圈里流过行频锯齿电流iH。电子束在变化的磁场H作用下从荧光屏的a点向b点直至c点偏转，称其完成了一行的正程扫描.在逆程期，iH很快从最大正值变化到最大负值，这时电子束也很快从荧光屏的右边返回到左边（从荧光屏正面看），称其完成一行的逆程扫描。来回扫描一次所需的时间用TH表示，则TH=THt+THr，称为行扫描周期，一般规定THr/TH=α，α称为行扫描逆程系数，通常α=0.18。而fH=1/TH为行扫描频率。79802.2.2垂直扫描同理，若要求电子束在荧光屏上做上下移动，在场偏转线圈中应加入锯齿电流，因而产生垂直方向的扫描（也称场扫描）。当电子束因受到向下作用力在垂直方向由上向下运动，再由下向上扫描时，便形成了场扫描的正程和逆程。场扫描的周期TV等于场正程时间TVt和场逆程时间TVr之和，TVr<<TVt，场扫描频率fV=1/TV，场扫描逆程系数β=TVr/TV，一般为0.08。80812.2.3扫描光栅当行、场偏转线圈中分别加有扫描电流时，电子束便在水平与垂直偏转力的共同作用下进行有规律的扫描，一方面作快速的水平扫描运动，同时作较慢的垂直扫描运动，屏幕上便会出现一条条的亮线，这些亮线称为光栅。由于水平扫描的频率高，所以电子束的运动方向是沿水平稍向下倾斜，如果一场中的扫描行数很多，则光栅倾斜度就会减少，甚至看不见倾斜度，而被近似认为是水平直线光栅。电子束在荧光屏上的扫描轨迹称为扫描光栅。818282838384在实际的电视系统中，电视图像只在扫描的正程传送，逆程是不传送图像的。既然电子束在回扫时不传送图像信息，而且逆程扫描线会降低图像质量，为了使图像清晰而均匀，就要设法将电子束在行和场的回扫期间的回扫线消去，使其不在荧光屏上显示出来。在广播电视中所采取的措施，是在行、场逆程期间会用消隐脉冲截止扫描电子束，让电子束截止，使之不显示图像，即消隐。84852.2.4逐行扫描电子束在荧光屏上作匀速直线扫描，一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描。在逐行扫描方式中，第一场图像与第二场图像重合，或者说每场的光栅都应相互重叠。如果每场的扫描行数用Z来表示，则有：TV=ZTH或fH=ZfV。在逐行扫描方式中，第一场图像与第二场图像重合，或者说每场的光栅都应相互重叠。扫描行数越多，图像越清晰。实验表明，只有当换幅频率大于48Hz，Z大于500行时才能得到比较好的图像质量。一幅图像称为一帧图像，扫描一帧图像就是扫描一幅图像，因此，在逐行扫描中，帧频等于场频。8586我国电视制式规定，场扫描频率为50Hz，每帧图像的扫描行数为625行，若采用逐行扫描的话，帧频与场频相等，理论分析可以得出，电视图像信号的最高频率约为11.2MHz，这样图像信号的频带就很宽，使设备复杂化，而且使在规定的可供电视系统使用的频段内可容纳的电视频道数目减少。如若为了减少带宽而降低场频，将会导致重现图像的闪烁；而减少每场扫描行数，又会降低图像的清晰度；可见逐行扫描是无法解决带宽与闪烁感和清晰度的矛盾；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。86872.2.5隔行扫描所谓隔行扫描，就是在每帧扫描行数仍为625不变的情况下，将每帧图像分为两场来传送，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。每一帧图像通过两场扫描，所有像素就可全部传送完。每秒传送25帧图像，每场扫描312.5行，那么每秒扫描50场，即场频为50Hz，高于人眼的临界闪烁频率，亮度闪烁现象不会出现。一帧由两场复合而成，每帧仍为625行，图像清晰度没有降低，而频带却压缩了一半。8788（a）（b）（c）图？隔行扫描光栅形状（a）一帧扫描光栅；（b）奇数场扫描光栅；（c）偶数场扫描光栅；（d）奇数场逆程扫描光栅；（e）偶数场逆程扫描光栅（b）（e）（d）1234567899’9’1’2’3’4’5’6’7’8’135792468隔行扫描的行结构要比逐行扫描的复杂，两场光栅均匀交错（镶嵌）是对隔行扫描的基本要求，否则垂直清晰度将大为下降。为了使第一场光栅嵌在第二场光栅的中间，每一场必须包含半行扫描，这就要求每一帧的扫描数为奇数行。8889如我国采用625行的隔行扫描制，每一场的扫描行数为312.5行，有的国家采用525行，每场扫描行数为262.5行。由此可以把奇数行隔行扫描所应满足的要求归纳为两条：（1）下一帧扫描起点应与上一帧起点相同，以便保证各帧扫描光栅重叠；（2）相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度。由（1）条得出，每帧的扫描行数必须是整数；为满足（2）的要求，各场扫描电流都一样，则每场均需包含奇数行。这时，两场扫描的起始点虽不相重合，但两场光栅却能均匀镶嵌。8990隔行扫描的缺点：（1）行间闪烁效应。在隔行扫描中，整个屏幕的亮度是按场重复的。若每秒扫描50场，则刚好高于临界闪烁频率。但是每一行的亮度却是按帧频重复的，如当图像中有一行亮线时，每秒只出现25次，这是低于临界闪烁频率的，所以当我们观看比较亮的细节时，会有不舒服的闪烁感，这叫行间闪烁。9091（2）并行现象。将引起垂直分辨力下降，它有两种形式：①真实并行：在隔行扫描中，要求行、场扫描频率之间保持严格的关系，否则两场光栅不能均匀镶嵌，严重时，甚至两相邻奇、偶场光栅会重叠在一起，这就是真实并行现象。这时图像的垂直清晰度下降1/2。②视在并行：如果被传送图像中的运动物体在垂直方向上有足够大的速度分量，并且每经过一场时间运动物体向下移动一行距离，则后一场传送的细节将与前一场相同。所以当视线随着运动物体移动时，看起来好象两行变成了一行，这称为视在并行。视在并行也使清晰度下降。9192（3）垂直边缘锯齿化现象。当图像中的运动物体沿水平方向的速度足够大时，物体垂直边沿因隔行分场传送，相邻两行在时间上相差，会发生在相邻场光栅中出现左右错开的“锯齿化”现象，锯齿深度就是物体在一场时间内水平方向移动的距离。由此可见，隔行越多，以上的缺点就会越明显、越严重。所以隔多行扫描，虽然能够压缩更多的频带，但它引起的上述现象更为严重，不采用隔多行扫描。鉴于以上原因，2:1隔行扫描比逐行扫描具有图像信号带宽减少一半的优点，而且，上述缺点不很明显，因此得到广泛应用。9293其实，严格来说，即使在2:1隔行扫描情况下，由于人眼并不能将两场图像进行完善的累加，特别是对大屏幕显示的图像质量有影响。实验研究表明，在扫描行数相同的情况下，2:1隔行扫描的垂直分辨力相当于逐行扫描时分解力乘上一个隔行因子Ki，其值一般为0.6~0.7。9394需要说明的是，隔行扫描专利是1914年申请，1932年得到应用，扫描参数沿用了大半个多世纪，几乎没有什么变化。然而，技术的进步和用户要求的提高使得电视领域中的逐行扫描与隔行扫描又重新成为热门话题，并引起了人们浓厚的兴趣。许多学者和生产厂家，从图像质量、价格、兼容性以及在多媒体领域中的可扩展性等方面重新评估逐行扫描，并指出了其良好的发展前景。94952.3电视图像的基本参量电视图像的好坏如何评价？概括地说，就是图像层次要分明、清晰度要高，几何失真要小，并且有连续感和良好的稳定性。具体地说，电视图像的基本特征有图像尺寸与几何形状、图像对比度与亮度的层次、图像的色度、图像的清晰度和图像的连续性（即有无闪烁感，包括场间闪烁和行间闪烁等）。根据对这些基本特征的要求，确定了电视系统的一系列指标和标准。95962.2.1图像的几何特征根据人眼的视觉特征，人眼的视场很宽，垂直方向上的视角约为80°，水平方向上约为160°，电视系统要完全满足这样的视觉特性是困难的。但是，视觉最清楚的范围约为垂直夹角15°和水平夹角20°的一个矩形面积。由此确定了电视接收机的屏幕为矩形，其幅型比（宽高比）为4:3或记为K=4/3。另外，还有5:3、5:3.3、7:3的幅型。9697但是，后来的研究表明，为使观众增强临场感与真实感，电视系统不仅要传送清晰的图像，更重要的是在经济和技术条件允许的情况下尽可能多地传送景像的空间和时间信息。从空间上讲，就是要增大屏幕尺寸，增加视角和减小观看距离。因此，近代的HDTV要求大屏幕而观看距离约为屏幕高度的3倍，幅型比定为16:9，此时垂直和水平的视角分别达到17°和30°，图像的层次感与逼真感均有提高。目前，普通清晰度的大屏幕显示器也有采用16:9的幅型比，但如果收、发端幅型比不同，则重现图像不是被压扁就是被拉长，从而产生失真。97982.2.2图像的连续性与场频的选择场扫描频率的选择应考虑许多因素：扫描光栅不出现闪烁。为保证图像不出现闪烁现象，场频应高于临界不闪烁频率（48Hz）。图像信号占用频带不宜过宽，尽可能低。不易受干扰。在电视发展的初期，接收机中存在交流电源干扰。若这种干扰混入视频信号中，将使图像附加一种垂直方向或水平方向的暗条。9899如果场频与电力网频一致时，电源干扰是固定不动的，只要不太大，人眼不会产生不适应的感觉。当电源频率和场频不同时，进入视频通道的电源干扰造成的亮度干扰图形（横向条纹暗带）将是移动的，即以两频率之间的差频上下滚动，俗称“滚道”，如图？所示；另外，由于设备的电源滤波不完善以及杂散磁波的影响，在扫描电路中可能引入电力网频及其谐波的干扰（如电源的基波和谐波迭加在行锯齿波上），会产生扫描光栅的纽曲现象，当电源频率和场频不同时，所造成的光栅不仅扭曲而且摆动。99100目前，随着显像亮度技术的提高和屏幕朝大方向发展，电视屏幕的亮度不断提高，临界闪烁频率已超过50Hz，所以场频为50Hz的电视图像（特别是一些高亮度的画面）会出现明显的闪烁感觉。而现代接收机的技术水平已能消除电源干扰，所以将来会采用更高的场频。如，可在接收端运用数字视频处理技术将场频为50Hz或60Hz的隔行扫描电视信号分别转换为100Hz或120Hz的逐行扫描电视信号后再去显示，藉以消除画面闪烁，提高图像质量，从而弥补了由于历史原因造成的场频选择过低而带来的缺陷。1001012.2.3图像的清晰度与行频的确定1、图像的清晰度与电视系统的分解力图像的清晰度是观察者主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度。而电视系统传送图像细节的能力，称为电视系统的分解力。显然，两者是紧密相关的。扫描行数越多，分解成图像像素数越多，原景物的细节就呈现的越清楚，主观感觉的图像清晰度也就越高。所以通常就用扫描行数来表征电视系统的分解力，并称为标称分解力。分解力又分为垂直分解力和水平分解力。1011022、垂直分解力它是指电视系统沿图像垂直方向所能分解的像素数（或黑白相间的条纹数）。像素的大小取决于扫描电子束的截面积，当截面积一定的情况下，垂直分解力直接决定于扫描行数。但它不等于也不会超过每幅图像的扫描行数。原因在于进行图像分解时，并不是每一个扫描行数都是有效的：102103①图像垂直分解力取决于系统沿垂直方向所能分解黑白相间的条纹数，在场扫描的逆程期（场逆程占有一定行数），被消隐的行数不能用来分解图像，它受场扫描正程期间的行扫描行数Z’的限制。场消隐期占两个25行，即50行，所以需从625中减去50得575行，也就是说，有效扫描行数为575，也可以这样导出，即Z’=（1-β）Z=（1-0.08）×625=575，β为场逆程系数，一般取β=0.08。103104②但垂直分解力不等于也不会超过每幅图像的正程扫描行数，因为在分解图像时，由于扫描电子束与像素之间相对位置的影响，使得有效扫描行并非都有效地分解图像，即并非每一行扫描都有效。104105实际上，这种黑白相间的、整齐排列的图像是罕见的，一般图像内容都具有随机性，从平均的角度看，垂直分解力介于正程的扫描行数Z’和一半有效行数Z’/2之间，可用一个小于1的系数K乘以有效行数Z’来表示。如果垂直分解力以M表示，则M=KZ’=K（1-β）Z式中，K为垂直分解系数，或称凯尔（Kell）系数，是一个小于1的系数，其值一般为K=0.67~0.82（美国525行扫描制中，K=0.69；在625行扫描制中，欧洲K=0.67，俄罗斯及东欧K=0.82，我国K=0.76）；Z为扫描行数，我国现行电视制度规定Z=625行；将上述数值代入可得M≈437行。所以，目前的电视系统垂直分解力约为437线。如果考虑隔行扫描因子Ki的影响，则垂直分解力还要低：M=KiKZ’=KiK（1-β）Z，Ki=0.6~0.7，M=262~306行1051063、水平分解力水平分解力是指电视系统沿图像水平方向所能分解的像素数（或黑白相间的条纹数）。水平分解力与电视传输通道的带宽及收发端电子扫描束的截面积大小有关。106107①电视传输通道带宽对水平分解力的影响。对于图？（a）所示的由许多黑白条纹所组成的图像，与之对应的电视信号将是图（b）所示的许多矩形脉冲波。显然垂直的条纹数越多，一行时间内脉冲的宽度越窄，信号的频谱越丰富，要求通道的通频带越宽，否则将产生失真，图像的水平分解力将受到影响，即水平分解力将受到通道带宽的限制。107108②电子束截面积对水平分解力的影响。图（b）的波形是在电子束截面积很小，相对于图像细节变化可以忽略不计时才会得到这样的波形。如果扫描电子束的截面面积与条纹宽度可以比拟时，则图像信号将变成近似的三角波，如图（c）所示。而且当条纹数更细更密时，不但图像信号波形由矩形波变为三角波，其幅度也将减小。0（a）（b）（c）ttuu0图？垂直条纹及相应信号波形108109实际情况是，扫描电子束总具有一定的截面积，当其扫过黑白相间的条纹图像时所形成的信号必然有过渡过程，如图？所示其结果是使脉冲前后沿展宽，引起图像细节模糊，这种分解力受到电子束直径大小限制的现象叫孔阑效应。从减小孔阑效应、提高分解力的角度考虑，扫描电子束的直径应尽可能小，但并非越小越好。如果太小了，在规定的扫描行数下又不足以覆盖画面，其间有明显的空隙，所以扫描电子束的直径大小要合适，一般以等于扫描间隙为宜。109110基于以上原因，通常取水平分解力和垂直分解力相等为最佳情况，实践也证明在这种情况下图像的质量最好。当考虑到光栅幅型比为K’=4/3（或16/9），则水平分解力为：N=K’M=K’K(1-β)Z代入有关值，N=(4/3)×437=583行或条纹数。视频通道的通频带则应适应这一水平分解力的要求。1101114、扫描行数Z的确定前面曾指出，当扫描行数Z增加时，图像分解的像素数增大，清晰度可提高，但要求电视传输通道的频带宽度扩大，从而在电视应用频段内容纳的电视频道数目将减少，并导致电视设备的复杂化。所以选择Z不能仅从提高清晰度出发，还需考虑带宽和设备的经济性；也不能强调后者而不顾图像质量，应综合考虑，相互兼顾。应该指出的是，人眼对图像清晰度的主观感觉并非与扫描行数成正比，而是近似对数关系，如图？所示。111112各国的电视系统制度大都是在早期订立的，限于当时的经济和技术水平，扫描行数一般选在500~650之间。我国PAL制选用Z=625行，美国、日本选用Z=525行。当扫描行数Z确定以后，行扫描行频也就确定了，例如，Z=625行，fF=25Hz，则行频fH=Z×fF=625×25=15625Hz。1121132.3视频图像信号视频图像信号是指经扫描、光电转换过程由光像转变成的电信号，或在经过γ校正和线性组合等处理过程而形成的视频信号。电视系统要完成图像信号的传输，不失真地重现原图像，除必须传送图像信号这一主体信号之外，还必须传送辅助信号：复合同步信号，保证收发同步。复合消隐信号，保证逆程不显示光栅。槽脉冲信号和均衡脉冲信号，隔行扫描均匀嵌套。将以上主体信号与辅助信号统称为黑白全电视信号，它是研究彩色全电视信号的基础。1131142.3.1复合消隐信号与复合同步信号1、复合消隐脉冲显像管电子束在行、场扫描正程期间重现图像信号，而在扫描逆程期间是不传送图像信号的，在行、场扫描的逆程期间形成回扫线，若不采取措施，这将对正程所传送的图像起干扰作用。消除回扫线的方法是在行、场扫描的逆程期间，在摄像管和显像管中分别加入能使扫描电子束截止的消隐脉冲，这时的图像信号电平称为黑色电平。114115消除行、场逆程回扫线的消隐脉冲分别称为行消隐脉冲和场消隐脉冲，二者合称复合消隐脉冲。在电视系统中，发送端在发送图像信号时，在逆程期间将消隐信号也发送出去，该信号的形状为不同宽度的矩形脉冲，显然：行、场消隐信号的电平应等于图像信号的黑色电平；行、场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；行、场消隐信号脉冲的宽度原则上应分别等于行、场扫描的逆程时间。115116一般如果设一行的时间为TH：因为Z=625行，fF=25Hz，则行频fH=ZfF=625×25=15625Hz，得行扫描周期为1TH=1/fH=1/15625=64s那么根据规定行逆程时间为0.18TH、即0.18×64=11.52s；同理可得，场逆程时间为0.08TV（0.08×1/50=1600s）场逆程期间包含1600/64=25个行扫描116117但在接收端为了确保消除回扫光栅，实际上消隐脉冲宽度稍有加宽。所以行消隐脉冲宽度定为12s（64×0.18=11.52≈12s），而场消隐脉冲宽度为25TH+12s=1612s1171182、复合同步脉冲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，即扫描频率和相位完全相同。换句话说就是收、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。118119在电视系统中，同步是指收、发两端扫描同频、同相，满足这样条件的扫描称为同步扫描。这两个条件其中之一不能满足都不能正确重现原图像或甚至无法正常收看。（1）相位不同如果扫描频率相同，但起始时间不一致，即在相位上不同步重现图像将发生裂变。119120（2）频率不同当收发扫描频率不同时，重现图像就会不稳定甚至无法收看。如果收发端行扫描频率同步而场扫描频率不同步时。这时会出现图像上下滚动或跳动，且频差越大移动越快。例如，收端场频高于发端场频时，发端第一场下边的像素会在收端第二场上边出现（即第一场的消隐黑带出现在收端第二场的画面上）；同理，收端第三场画面上又会出现发端第二场下边（包括消隐黑带）的像素。这样，电视机屏幕重现的图像将不断下移，场消隐黑带也跟随向下移动。反之，若收端场频低于发端时，则会看到一幅幅向上移动的图像。120121如果收发端场扫描频率相同而行扫描频率不同时，屏幕上会出现歪斜且不稳定的行消隐黑条纹，图像无法重现。例如，收端行频高于发端行频时，则发端第一行末的像素及行消隐黑点将在收端第二行左端出现，发端第二行末的部分像素及行消隐黑点将在收端第三行左端出现，依次类推。由于每行的差别是逐行累积的，结果接收端的像素排列变得杂乱无章，所以不能重现原发送端的图像，只能看到向右倾斜的消隐黑条；反之，若收端行频低于发端行频时，出现向左倾斜的黑条，如图？所示。121122因此，只有当行、场同步脉冲到来时才开始行与场的回扫，这就可保证收、发双方扫描电流的频率和相位都相同，即可保证同步。通常将行、场同步信号按扫描时间混在一起而形成复合同步信号。为此，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个行的结束，下一行的开始；同样，摄像机每当每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲，接收机就利用该场同步脉冲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。同步信号也是在扫描的逆程期间传送，其形状也为宽度不同的矩形脉冲，但同步脉冲宽度比消隐脉冲要窄。122123我国电视系统规定：行同步脉冲宽度为行周期的7.5%左右，即0.075TH（0.075×64=4.8s，取行同步脉冲宽度为4.7s），行同步脉冲前沿比行消隐脉冲信号的前沿滞后1.5s；场同步脉冲宽度为行周期的2~3倍，即2.0~3.0TH（取2.5×64=160s），规定场同步脉冲前沿比场消隐脉冲信号前沿滞后2.5TH，即160s。123124为了在接收机中便于用简单的幅度分离法将这些行、场同步脉冲分离出来，将复合同步脉冲信号叠加在复合消隐脉冲的顶部。因为消隐脉冲电平相当于图像信号的黑色电平，所以，叠加在复合消隐脉冲之上的同步脉冲电平比黑还黑（比消隐电平还要超出25%），将不会影响逆程回扫线的消除作用。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，而偶数场的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。1241251251262.3.3开槽脉冲和均衡脉冲1、槽脉冲在电视接收机对视频信号进行处理时，由于同步信号的幅度比消隐信号和图像信号大，所以很容易用幅度分离电路将其分离出来，然后再根据行、场同步信号的宽度不同，用脉冲宽度分离电路，将行、场同步分离出来，如图？？所示。126127当复合同步信号通过微分电路后，就得到一系列正负相间的尖脉冲，由于对行扫描电路的同步只需要与脉冲前沿相对应的正尖脉冲，所以再将其通过一削波（即限幅）电路，削去负的尖脉冲，就只得到一串正脉冲，然后就可以用这些正尖脉冲的前沿去控制接收机的行振荡器。但是必须指出，由于场同步脉冲较宽2.5TH，因而在场同步期间会使行同步的信息丢失（其间丢失两个行同步信号）。解决这个问题的方法是在场同步脉冲上加开几个槽，称为槽脉冲，且使槽脉冲的后沿（即上升沿）恰好对应于应该出现原同步脉冲的前沿位置。这样就可以保证在场同步脉冲期间可以检测出行同步脉冲。127128128129从上图中可以看出，行同步脉冲与场同步脉冲具有相同的幅度，不同的宽度，因而分离行、场同步脉冲的方法一般是借助于宽度分离器——微分与积分电路的组合。其中，微分电路可以提取行同步脉冲或槽脉冲的上升沿用于行同步。1291302、均衡脉冲但是，由于电视系统一般采用隔行扫描，相邻两场扫描的起点和终点位置都不同，相邻两场（奇数行和偶数行）的场同步信号前沿对行同步信号来说起点相差半行。对于奇数场来说，它是在半行处结束，因此场消隐信号和场同步信号应在半行时加入；对于偶数场扫描来说，它是在一个整行后结束，因而，场消隐与场同步信号应在一个整行结束后加入。130131若将奇数场和偶数场的同步脉冲分两排画出，并令场同步脉冲起始沿对齐，则得图？？所示波形。在进行行、场同步分离时，每一个行同步脉冲出现，要对积分电容器进行一次充电，行同步脉冲过后则进行放电。131132由于奇数场和偶数场同步脉冲前沿出现时，行同步脉冲相互错开半行，造成电容积分器上的起始电压不同，这就必然导致两场同步时间的差异，如图？所示，存在t。132133对于隔行扫描来说，相邻两场的扫描时间必须完全相等，才能保证奇数场的扫描光栅和偶数场的扫描光栅均匀交错，否则，会对对场同步脉冲的检测造成影响，会出现并行现象，使垂直分辨力降低。133134为了保证偶数场的扫描线准确地嵌套在奇数场各扫描线之间，必须保证相邻两场场同步脉冲前沿达到积分电路时，积分电容器上要有相同的起始电压，否则就无法保证正确的嵌套。为此，可以采取以下措施：其一，在场同步脉冲前若干行内，将同步脉冲的频率提高一倍（即每隔半行都增加一个行同步脉冲），为了使频率增加后的行同步脉冲的平均电平不变，将这些脉冲的宽度减小到原来的一半（即2.35s），它被称为前均衡脉冲。这样就使得两场在到达场同步信号的前沿时积分电容上的起始电平大致一致。由于两场的前5个均衡脉冲是对准的，所以经过前5个均衡脉冲后到达场同步信号的前沿时，积分电容上的起始电压几乎是相等的。134135其二，经过5个前均衡脉冲均衡后，积分输出波形重合在一起了，积分电容上的起始电压几乎相等。如果不加后均衡脉冲，经积分后两场的场同步信号的后沿也是不重合的，使得在场同步脉冲过后的一段时间内，由于行同步脉冲的差异会造成场同步脉冲宽度两场不等，从而影响场扫描的波形，这样亦会破坏隔行扫描的准确性，所以在场同步信号后面也加上了5个同样的后均衡脉冲。在场同步脉冲后若干行内，也将同步脉冲的频率提高一倍（即每隔半行都增加一个行同步脉冲），为了使频率增加后的行同步脉冲的平均电平不变，将这些脉冲的宽度减小到原来的一半（即2.35s），它被称为后均衡脉冲。135136其三，在场同步脉冲内的开槽脉冲频率也提高一倍，即场同步脉冲上开槽也应每半行开一个，但槽宽仍然为4.7s。这样，场同步期间要开5个槽，形成5个宽度为27.3s的凹齿脉冲。136137这样在奇数场和偶数场的场同步期间及其前后若干行内的同步脉冲波形完全相同。因此两场场同步脉冲的积分起始电平相同，经过积分电路后两场输出信号的波形完全重合，保证了隔行扫描的精确性。在尖脉冲上加圆圈的表示是有用的行同步脉冲，其余的尖脉冲是处在行扫描的正程，与行振荡器翻转时间相差较远，因此对行振荡器不起触发作用。按照我国电视标准，前后均衡脉冲均为5个，各占两行半时间。行同步脉冲宽度为4.7s，均衡脉冲的宽度为2.35s。场同步脉冲也占两行半时间，因开了5个槽而形成5个齿脉冲，场同步齿脉冲宽度为27.3s，而开槽宽度为4.7s。1371382.3.4全电视信号将以上介绍的图像信号、复合同步信号、复合消隐信号、槽脉冲信号和均衡脉冲信号等叠加，即构成黑白全电视信号，通常也称其为视频信号，图示为负极性全电视信号，也就是说，图像信号电压越高，表示传送的图像越暗，图像信号电压越低，表示传送的图像信号越亮。138139第三章电视图像传输制式彩色电视系统是在黑白电视系统的基础上发展起来了，彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及，因此，彩色电视应该与黑白电视兼容。所谓彩色电视制式，主要是对彩色电视信号加工、处理和传输的特定方式，具体来说，就是指实现彩色电视信号传输的基本方法、相应的技术措施和有关各项技术指标的规定等。139140现行的彩色电视三大制式有：NTSC制、PAL制、SECAM制都是兼容制，它有利于从黑白电视向彩色电视过度，促进了彩色电视技术的发展。但在彩色电视发展过程中，发现现行的三大彩色电视制式存在着各种缺陷，同时，人们对电视图像质量又提出了新的要求，因此又对彩色电视制式纷纷进行了研究，取得了较大的进展。1401413.1兼容制彩色电视制式概述1、黑白电视制式世界各国都有自己的广播电视组织，制定了本国的黑白电视制式，如行频、场频、扫描行数、伴音载波位置、调制方式、频带宽度、频道间距等各种参数标准。国际上已经认可的世界各国不同的黑白电视制式共有13种，他们的代号分别为A、B、C、D、E、G、H、I、J、K、K1、L、M、N。美国采用的是M制，我国采用的是D制。141142各种制式的共同特点是：宽高比为4:3；扫描顺序从左到右，从上到下；隔行扫描比为2:1；图像调制方式均为调幅制并采用残留边带（VSB:VestigialSideBand）方式发射。1421432、兼容和非兼容制彩色电视制式按使用的目的不同，彩色电视形式可分为兼容制和非兼容制两大类。所谓兼容性，广义上有两个含义：（1）正向兼容性。黑白电视接收机接收彩色信号时，能产生与原三基色信号相对应的黑白图像；（2）逆兼容性。彩色电视接收机接收黑白图像时，能在彩色荧光屏上显示黑白图像。143144自从20世纪20年代彩色电视问世以来，世界各国曾研制了许多制式，在这些制式中，有的因性能不好被淘汰了，有的可在不同场合下采用。到50~60年代开始，世界上正式采用的彩色广播电视制式，只有属于NTSC制、PAL制和SECAM制等三种。如果你想包罗万象，就得买真正全制式的电视机，就是三种彩电制式加上10种黑白电视制式共39个电视制式组合的电视机。但根据对世界200多个国家和地区的调查，仅使用其中的17种：8种PAL，2种NTSC，7种SECAM。144145现在，各个品牌的多制式电视机，制式数目不尽相同，少的只有两个，多的有二十几个，用户可根据自己的需要进行选择。有一点要提醒需要购买多制式电视机的朋友：有些电视机的广告彩页对“多制式”到底都有哪些制式标注不太明确，只简单地写为“多制式”、“全制式”、“国际线路”等，在购买前一定要问清楚都包含哪些国家的制式，符不符合自己的需要，避免购买后的麻烦。1451463.1.1兼容制的必备条件及色度信号编码传输黑白电视信号的特点图像信号反映了实际景物的亮度。由于图像信号内容是随机的，相应的电压波形也是随机的。假设被摄图像是从左到右亮度递减的五条由白→灰→黑变化的图像，经转换所得的相应电压波形为阶梯波。146147若图像最亮时，对应的电压信号幅度最高，此信号称为正极性图像信号；反之，如果图像最暗时对应的电压信号幅度最大，称此为负极性图像信号。147148一般来说，图像信号是随机的，图（d）给出了一行的随机的图像信号波形。由图可见，图像信号具有如下特征：1、含直流。即图像信号具有平均直流成分，其数值确定了图像信号的背景亮度。1481492、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。换句话说，相邻两行或相邻两帧图像信号差别极小，可以近似认为是周期信号。1491502.黑白图像信号的频谱虽然，实际图像信号的分布总是任意的，但它总是要经过逐行、逐场的扫描形成。由于存在相关性，相邻信号的波形仍几乎相同，这样就使本来明暗变化不规则的图像，产生了周期性变化的规律，即它不外乎是水平方向和垂直方向变化的不同组合。150151因而黑白电视图像信号的频谱应是由行频及其谐波组成的主频谱线，在主谱线两侧对称地分布着场频及其谐波组成的边带（副频谱线）。151152归纳起来，图像信号的频谱具有以下特征：亮度信号虽然占据了0~6MHz的频带宽度，但并未占满整个6MHz的带宽。频谱结构是以行频及其谐波为中心，构成以行频为间隔的一群群梳齿状的离散频谱。152153亮度信号的能量只集中在行频fH及其谐波nfH附近很窄的范围内，随着行频谐波次数的增高，能量逐渐下降，谱线幅度逐渐减小。能量主要分布在视频信号的低频端。亮度信号在（n-1/2）fH附近几乎没有能量，留有较大空隙。153154图？（b）是将nfH附近的一簇谱线放大，可以看出在行频主谱线两侧有以帧频、场频为间隔的副谱线。154155实践证明，无论禁止或活动图像，但只要动作相对速度较慢（与扫描速度比较），每幅画面变化不大，围绕行谱线（主频谱线）分布的场频谐波次数（副频谱线）不超过20，其幅度就小到可以忽略不计。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，空隙竟达主谱线间距的(15626-2000)/15625=87%，可见各群谱线间存在着很大的空间。155156在隔行扫描的情况下，若考虑到两场信号有所差异，则严格来讲，图像信号的重复频率为帧频，离散频谱线将以帧频为间隔，也就是说在主谱线两侧将出现以帧频为间隔的副频谱线。因此，隔行扫描的频谱结构应为：副谱线仍然以场频为主重复，在相邻场频谱谐波之间存在幅度小的帧频谐波谱线，场频相关性越强，帧频谐波幅度越小。1561573.电视图像信号的频带宽度所谓视频系统的带宽，就是图像信号传输所需的通频带宽度。显然，只要确定了电视图像信号的最低频率和最高频率，电视系统的通频带就确定了。任何一景物或图像都有一定的背景亮度，也就有景物或图像细节的变化。图像细节的变化表现为电视信号的交流成分的变化，而图像的背景亮度是它的直流成分。即使是活动图像，由于动作缓慢，图像信号中也有一个频率是零的平均分量，这一频率决定了图像信号频带的下限，fmin≈0。只要知道图像信号的最高频率，也就确定了图像信号的频带宽度。157158水平方向的图像内容由扫描绘出，因此水平方向能分解的像素数就决定了电视信号的上限频率fmax。图像信号的最高频率，出现在传送一幅全是细节的图像的情况下，即细节大小等于一个像素，或等于一个感光单元的大小。158159设传送的景像如图？所示，图中小方格相当于一个像素，扫描电子束的大小恰好等于该图像的像素。这样，电子束沿水平方向扫过一个像素所需的时间为：式中，THt为行扫描正程时间；α为行扫描逆程系数；fH为行频；Z为一帧扫描行数；fF为帧频。159160考虑到孔阑效应的影响，电信号的波形近似为正弦波，其周期为2td，因此信号的最高频率为：式中，fF为帧频，N=K’M=K’K(1-β)Z。160161对于逐行扫描，fV=fF，将其代入，可得逐行扫描的最高频率对于隔行扫描，fF=fV/2，将其代入，可得隔行扫描的最高频率为比较两式可以看出，采用隔行扫描方式，由于帧频下降了一半，故频带也压缩了一半。单场频仍为50Hz，可以保证图像无闪烁感。按我国现行电视标准，K’=4/3，fV=50Hz，Z=625，取α=0.18，β=0.08，K（1-β）≈0.7，可求得隔行扫描电视信号带宽为Δf≈fmax≈5.6MHz，所以视频传输通道的通频带定为6MHz。1611624、彩色图像信号三个视频基色信号就是彩色图像信号。但是，就彩色电视系统来说，并不直接传送3个基色信号，因为单从占用频带来看，如果为了保证图像清晰度，每一基色信号带宽应与黑白图像信号带宽相同，这样总的带宽将3倍于黑白电视的信号带宽。显然这种方式既不经济也不合理；更为重要的是这种方式与黑白电视接收机不兼容。在彩色电视早期的研究中，大量的研究工作中要实现的目标只有一个，就是要在与黑白电视兼容的前提下，最大限度地获得良好的图像质量。162163由于彩色光需用三个参量即亮度、色调和饱和度（后两个又合称色度）来表示，因此传送彩色图像必须选用三个独立的信号，所以，在彩色广播电视系统中所选用的传输信号并非三个基色信号，而是经过转换并代表3个基色参量的新的传输信号。在各国的研究工作以及后来的实用系统中，共同的特点是都选择了亮度信号和两个色差信号作为彩色电视的基本信号，它们是由三个基色信号经过简单的矩阵变换后得到的。163164信号的选取在发展彩色广播电视系统时所选的传输信号并非3个基色信号，而是经过转换并代表彩色3个基色参量的新的传输信号。它们应满足以下几个要求：（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。彩色电视系统传送的信号应保持与黑白电视信号相同的频带宽度。164165（2）、需要传送两个代表色度的信号：它们不应还有亮度信息；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，3个基色信号相等，即：R=G=B，根据条件（2），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）、3个基色信号与3个传输信号之间的转换关系要简单。165166亮度信号为了传送彩色图像信号，从兼容的角度出发，彩色电视系统中应传送一个只反映图像亮度的亮度信号Y，其特性应与黑白电视信号相同。同时还需传送色度信息F。根据三基色原理，必须传送R、G、B三个基色电压，或传送亮度及色度信号电压皆可。