电视技术概论_01b图像中频通道.ppt

1.1图像光电转换的基本过程,图1-1电视广播过程,传输语音信号的无线电广播,主要包括发射与接收两大部分。在发端主要完成将语音变为电信号(称音频信号),并经放大、调制,然后由天线以高频电磁波形式发射出去。收端则正好相反,将收到的高频电磁波经高放、解调、音频放大,最后送扬声器发出声音。图11给出了无线电语音广播原理图。,图11无线电语音广播原理图,电视广播有开路与闭路之分。开路系统,即无线电视广播系统,其原理与语音广播类似,但无论是发端还是收端,都远比语音广播复杂。闭路电视系统所不同的只是传送电视信号由同轴电缆完成而已。,图12无线电视广播系统原理方框图,1.1.1像素及其传送,图1-2图像顺序传送系统示意图,1.1.1像素的概念像素的传送具有以下两个特点:第一是要求传送速度快。第二是传送要准确。,1.1.2光电转换原理,1.图像的摄取,图1-3图像信号产生的过程(a)摄像管的结构；(b)图像信号产生的过程,2.图像的重现图像的重现是依靠电视接收机的显像管来完成的。显像管的任务是将图像电信号转换为图像光信号，完成电到光的转换。显像管是利用荧光效应原理制成的。所谓荧光效应是指某些化合物在受到高速电子轰击时表面能够发光，并且轰击的电子数量越多速度越高，则发光越强。显像管主要由电子枪及荧光屏等几部分组成。当把具有荧光效应的荧光粉涂附在显像管正面的内壁，就构成了荧光屏。当显像管内电子枪发出的高速电子轰击到荧光屏上后，荧光粉就会发光。如果让电子枪发射电子束的能力受图像信号强弱的控制，那么荧光粉发光的亮度也就与图像信号强弱相对应，从而呈现和发送端相同的图像，达到图像重现的目的。,图19偏转线圈结构示意图(a)行偏转线圈;(b)场偏转线圈,1.1.3电子扫描逐行扫描在电视系统中,摄像管和显像管的外面都装有偏转线圈,当线圈中分别流过如图17所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场,在这两个磁场的共同作用下,使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。,1.2电视扫描原理,1.2.1逐行扫描所谓逐行扫描，就是电子束自上而下逐行依次进行扫描的方式。这种扫描的规律为电子束从第一行左上角开始扫描，从左到右，然后从右回到左边，再扫描第二行，第三行，直到扫完一幅（帧）图像为止。接着电子束由下向上移动到开始的位置,又从左上角开始扫描第二幅（帧）图像。上述电子束作水平方向的扫描叫行扫描，其中电子束自左到右的水平扫描叫行扫描的正程，自右回到左的水平扫描叫行扫描的逆程。,图1-4逐行扫描,图1-5帧逆程扫描,图17逐行扫描电流波形(a)行扫描电流波形;(b)场扫描电流波形,图1-6水平和垂直扫描示意图(a)仅有水平扫描时的基线及与之相对应的波形；(b)仅有垂直扫描时的基线及与之相对应的波形,2.隔行扫描所谓隔行扫描,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,这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1,3,5,奇数行;偶数场传送2,4,6,偶数行。,1.2.2隔行扫描,图1-7隔行扫描(a)奇数场；(b)偶数场；(c)嵌套后的一帧图像,图112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,第一场(奇场),从左上角开始按11,33,顺序扫描,直到最下面的中点a为止,共计行,完成了第一场正程扫描。第二场(偶场),扫描从a点开始,先完成第一场扫描留下的半行a11行的扫描,接着完成22,44,等偶数行的扫描。,我国电视规定：帧频为25Hz，一帧图像分625行传送，所以行扫描频率为fH=25625=15625Hz。隔行扫描电子帧频较低，电子束扫描图像时所占的频带宽度较窄（约6MHz），对电视设备要求不高，因此，它是目前电视技术中广泛采用的方法。隔行扫描的关键是要保证偶数场正好嵌套在奇数场中间，否则会降低图像清晰度，甚至出现并行现象。,1.2.3我国广播电视扫描参数我国广播电视采用隔行扫描方式，其主要扫描参数如下：行周期TH=64s；行频fH=15625Hz；行正程TSH=52s；行逆程TRH=12s；场周期TV=20ms；场频fV=50Hz；场正程TSV=287TH+20(s)=18.388ms18.4ms；场逆程TRV=25TH+12(s)=1.612ms1.6ms；帧周期TZ=40ms；每帧行数Z=625行（其中：正程575行,逆程50行）；帧频fZ=25Hz；每场行数312.5行（其中：正程287.5行）。,1.3重现电视图像的基本参量,1.3.1亮度、对比度和灰度,人眼最重要的视觉功能是对客观景物的亮度感觉。亮度就是人眼对光的明暗程度的感觉。亮度一般用B表示，度量亮度的单位为nit（尼特）。尼特定义为在一平方米面积内具有一烛光（cd）的发光强度，即1nit=1cd/m2。客观景物的最大亮度与最小亮度之比称为对比度。对于重现的电视图像，其对比度不仅与显像管的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin有关，还与周围的环境亮度BD有关，其对比度K为,1.3.2视频图像信号的频带宽度,1.一帧图像的像素全电视信号的频带宽度与一帧图像的像素个数和每秒扫描的帧数有关。我国的电视扫描行数为625行，其中正程575行，逆程50行。因此，一帧图像的显示扫描行数为575行。也就是说,一帧图像由575行像素组成。一般电视机屏幕的宽高比为43，因此一帧图像的总像素个数约为：,2.图像信号的频带宽度图像信号包括直流成分和交流成分。其中直流成分反映图像的背景亮度，它的频率为零，反映了图像的最低频率。交流成分反映图像的内容，图像越复杂，细节变化越细，黑白电平变化越快，其传送信号频率就越高。显然图像信号频带宽度等于其最高频率。如果播送一幅左右相邻像素为黑白交替的脉冲信号画面，显然这是一幅变化最快的图像，每两个像素为一个脉冲信号变化周期，而我国电视规定一秒钟传送25帧画面，因此该图像的最高频率为,1.3.3图像的尺寸与几何形状,1.图像的尺寸根据人眼的特性，视觉最清楚的范围约为垂直夹角15、水平夹角20的矩形面积。因此，目前世界各国电视屏幕都采用矩形，画面的宽高比为43或54。随着电视技术的进步，帧型向大屏幕方向发展。目前，世界上已出现宽高比为53、53.3、169等尺寸。显像管屏幕的大小常用矩形对角线尺寸来衡量，一般家用电视机屏幕对角线长度为2374cm不等。人们习惯用英寸表示，如9、14、18、21、25英寸和29英寸等，它们的对角线分别为23、35、47、53、64cm和74cm等。,(1)电子束偏转的基本原理。(2)扫描电流的非线性对显示图像的影响。,图18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,图19偏转线圈结构示意图(a)行偏转线圈;(b)场偏转线圈,2.图像的几何相似性,（1）非线性失真,图1-8.1电视图像的非线性失真(a)不失真；(b)iYH失真；(c)iYV失真,图18.2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,图18.3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,（2）几何失真,图1-9电视图像的几何失真(a)枕形失真；(b)桶形失真；(c)平行四边形失真,1.3.4电视图像清晰度与电视系统分解力,1.垂直分解力垂直分解力是指沿着图像的垂直方向上能够分辨出像素的数目。显然它受每帧屏幕显示行数（或者总行数）的限制。在最佳的情况下，垂直分解力就等于显示行数。在一般情况下，并非每一屏幕显示行都代表垂直分解力，而取决于图像的状况以及图像与扫描线相对位置的各种情况。考虑到图像内容的随机性，有效垂直分解力可由下式估算出：M=KZ,K值通常取0.51之间，若取K=0.76，则有效垂直分解力M=0.76575=437线。,2.水平分解力水平分解力是指电视系统沿图像水平方向能分解的像素的数目，用N表示。水平分解力取决于电子束横截面大小。也就是说，水平分解力与电子束直径相对于图像细节宽度的大小有关。实验证明，在同等长度条件下，当水平分解力等于垂直分解力时图像质量最佳。由于一般电视机屏幕的宽高比为43。故有效水平分解力N可根据式（1-4）求出：,1.3.5每帧图像扫描行数的确定,为了获得图像的连续感、克服闪烁效应并不使图像信号的频带过宽，我国电视标准规定帧频为25Hz，采用隔行扫描，场频为50Hz。这样的场频恰好等于电网频率，还可以克服当电源滤波不良时图像的蠕动现象。由于扫描行数决定了电视系统的分解力，从而决定了图像的清晰度，因此在电视标准中确定扫描行数是一个极为重要的问题。我国规定每帧含625行。,图1-10人眼的分辨力示意图,图中，为分辨角，是在一定距离L时，人眼恰能分辨的两个黑点之间的夹角。显然越小，表示人眼的分辨力越强；反之则越弱。因此，可以定义人眼的分辨力为分辨角的倒数。d为两个黑点之间距离即行距;h为屏幕高度；为视觉清楚区域张角；L为最佳观看距离。由图不难看出:与行距d、距离L的关系为,式中，以分为单位。设屏幕高度为h，屏幕有效显示行数为Z,正常人眼的分辨角在11.5之间，通常取=1.5；观看电视的最佳距离为L4h（由人的视觉清楚的区域15得出），将此两值代入式（1-8），即可算出相应的屏幕显示行数Z=537。我国电视标准规定屏幕显示行数为575行，再考虑每帧逆程的50行，即确定了每帧总行数为Z=625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得的电信号。由图113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。,(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。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十分重要的参量。图像质量的好坏,可由它们给予完整的描述。所谓亮度,通常是指单位面积的光通量。亮度常以B表示,光通量的单位是烛光(cd),亮度的单位是尼特(nit)或熙提(sb),它们之间的关系是:,1.全电视信号,1.4.1图像信号,图1-11图像信号,图113图像信号(a)正极性亮度递减信号;(b)负极性亮度递减信号;(c)一般的负极性图像信号,图像信号的幅度在电视信号相对幅度的75以下，一般在12.575之间。其中，幅度为12.5%的电平称之为白电平，幅度为75%的电平称之为黑电平。图像信号是以64s为周期的周期性信号，其中每行显示52s。,1.4.2复合消隐信号,图1-12复合消隐信号,行、场消隐脉冲的相对电平为75%，相当于图像信号黑电平。行消隐脉宽为12s，周期为64s，场消隐脉宽为1612s，周期为20ms。,1.4.3辅助信号1.复合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。图114(a)为发端图像,图(b)为相位不同步的情况。,1.4.3复合同步信号,1.同步的重要性,图1-13收送不同步造成接收图像异常,图114相位不同步产生的失真(a)发端图像;(b)收端失真图像,图115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,图1-14行扫描不同步,图1-15场扫描不同步,2.行、场同步信号,图1-16行、场同步信号,3.槽脉冲与前后均衡脉冲由于场同步脉冲持续2.5个行周期，如果不采取措施就会丢失23个行同步脉冲，使行扫描失去同步，直到场同步脉冲过后，再经过几个行周期，行扫描才会逐渐同步，从而造成图像上边起始部分不同步。为了避免上述情况发生，可在场同步脉冲期间开5个小槽来延续行同步脉冲，这就是槽脉冲。槽脉冲宽度与行同步脉冲相同，它的后沿与行同步脉冲前沿（上升沿）相位一致。这样，在场同步脉冲期间，槽脉冲起行同步脉冲的作用，从而消除了图像上部的不同步现象。,图1-17复合同步信号及其分离,2.复合消隐信号3.槽脉冲和均衡脉冲图115(a)告诉我们,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电路微分与积分电路的组合,如图116所示。,图116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117复合同步脉冲及积分结果(a)复合同步信号;(b)积分输出波形;(c)加有均衡脉冲的复合同步信号;(d)加有均衡脉冲后的积分器输出波形,1.4.3黑白全电视信号1.全电视信号波形将以上介绍的图像信号、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,其波形如图118所示。,图1-18均衡后的场同步脉冲信号,1.4.4全电视信号,图1-19全电视信号,全电视信号有如下三个特点：脉冲性。周期性。单极性。,全电视信号中各辅助脉冲参数如下：行消隐脉宽：12s行同步脉宽：4.7s场消隐脉宽：1612s场同步脉宽：160s槽脉冲脉宽：4.7s均衡脉冲宽：2.35s,1.5电视信号的发送,1.5.1图像信号的调幅所谓调幅，是指高频载波的幅度随着所要传送图像信号幅度的变化而变化，此图像信号叫调制信号。,图1-20单一频率调制的调幅波波形和频谱,负极性调制有下列优点：外来干扰脉冲对图像的干扰表现为黑点，这使人眼的感觉不怎么明显；由于负极性调制同步头电平最高，且采用黑电平固定措施，故易于实现自动增益控制，可以简化接收机的自动增益控制电路；随着图像亮度增大，发射机输出功率就减小。在一般情况下，一幅图像亮的部分总比暗的部分面积大，因而，在负极性调制时，调幅信号的平均功率要比峰值功率小很多。,图1-21图像信号的调幅波的频谱,图1-22负极性调制,1.5.2伴音信号的调频所谓调频，就是将欲传送的伴音信号作为调制信号去调制载波的频率，使载波的瞬时频率随伴音信号的幅度变化而变化。伴音信号所以采用调频方式发送，是由于调频方式音质好，抗干扰能力强。因为调频波是等幅波，外来干扰使接收到的信号振幅变化时，在接收机的伴音通道中可以用限幅器将信号幅度限定为等幅，从而消除或减少干扰的影响。,图1-23调频波的波形和频谱(a)调频波波形；(b)频谱分布,为了不失真地传送伴音调频波，所需要的频带宽度在理论上应是无限宽，但实际上的伴音调频波，随着边频次数的增高，它的幅度很快减少。所以整个伴音调频波的能量大部分集中在载波附近的几对边频中，其它更高次边频幅度几乎可忽略不计。在一般情况下，当某高次边频谱线的幅度小于未经调制时载波幅度的1%时，就可以认为已经到达了频带的边界了，所以伴音信号调频波的有效带宽BW可近似表示为:BW=2（f+fam）式中，fam伴音信号的最高频率,f调频波的最大频偏。,我国电视标准规定：最大频偏f=50kHz，伴音信号的最高频率fam=15kHz，则已调频波的带宽BW=2(50+15)=130kHz。调频伴音信号的频带宽度比调幅图像信号的频带宽度要小很多，因此伴音信号可采用双边带传送。我国实际电视系统中规定：伴音信号调频波的有效带宽为250kHz，每一频道在伴音载频两侧各留有0.25MHz范围的带宽容纳边频，因此采用调频方式传送的伴音信号频带宽，音质好。在实际电视系统中，为了改善调频信号高频分量的抗干扰性能，伴音信号发送时，人为地预先将其高频成分幅度加大，称之为“预加重”。通常由RC网络构成预加重电路。我国电视标准规定，预加重电路时间常数T=RC=50s。,1.5.3全射频电视信号的频谱,图1-24残留边带制高频电视信号的频谱,我国电视标准规定，伴音载频fs比图像载频fc高6.5MHz，高频图像信号采用残留边带方式传送，高频伴音信号采用双边带方式传送。由图可知，由于滤波特性不可能太陡，因此高频图像信号下边带在1.25MHz处衰减20dB；伴音信号带宽为0.25MHz，由于fs比fc高6.5MHz，而图像信号带宽为6MHz，因此伴音信号在图像信号频带之外，从而有效地防止了相互干扰。从图中还可知，每个频道所占带宽为8MHz（1.256.5+0.25=8MHz）。,各脉冲的宽度为:行同步4.7s;场同步160s(2.5H(行);均衡脉冲2.35s;槽脉冲4.7s;场消隐脉冲1612s;行消隐脉冲12s。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119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,围绕行谱线分布的场频谐波次数不大于20(即图119中m20)。按m=20计算,各谱线群所占频谱宽度仅为2mfv=202050=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。,图120各辅助脉冲信号的频谱,图121全电视信号频谱示意图,1.3彩色的基本概念,1.3.1彩色和光密不可分1.可见光的特性光学理论告诉我们,光是一种以电磁波形式存在的物质,人眼可以看见的光叫可见光,它是波长范围为380nm到780nm之间的电磁波,如图122所示。,1.5.4电视频道的划分,1.我国无线广播电视频道的划分,表1-1我国广播电视频道的划分,表1-1我国广播电视频道的划分,表1-1我国广播电视频道的划分,表1-1我国广播电视频道的划分,表1-1我国广播电视频道的划分,由表1-1可以看出：各频道的伴音载频始终比图像载频高6.5MHz。频道带宽的下限始终比图像载频fp低1.25MHz，上限则始终比伴音载频fs高0.25MHz。各频道的本机振荡频率始终比图像载频高38MHz，比伴音载频高31.5MHz。表中，92167MHz、566606MHz