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1 第1章电视基础知识 1 1电子扫描1 1 1像素的概念1 1 2光电与电光转换1 1 3电子扫描1 2黑白全电视信号1 2 1主体信号 图象信号1 2 2辅助信号1 2 3黑白全电视信号 2 1 3彩色的基本概念1 3 1彩色和光密不可分1 3 2视觉特性1 3 3彩色三要素和三基色原理1 3 4计色制和色度图1 3 5彩色图象的摄取与重现1 3 6系统分解力与图像清晰度 3 1 1电子扫描 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1 1给出了无线电语音广播原理图 4 图1 1无线电语音广播原理图 5 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或光纤完成而已 6 图1 2无线电视广播系统原理方框图 摄像管完成光电转换 将图像信号变为电信号 经过放大等一系列加工处理 产生视频信号 并将其调制在图像载频上 形成高频图像信号 扫描电路控制电子束按一定时间和位置顺序完成对一幅图像的每个像素的光电转换 将音频信号处理后 调制到伴音载频上 形成高频伴音信号 将高频伴音信号和高频视频信号合成后一同发射出去 将接收到的信号放大处理 分离伴音和视频信号 同步信号提取等 色度 亮度信号分离 解码 放大等 产生同步扫描控制信号 保证图像正确重现 通过电光转换 完成图像重现 音频信号解调 放大等 7 1 1 1像素的概念1 像素的概念像素 组成一个画面的细小单元称为像素 像素是空间也是时间的函数 像素的传送具有以下两个特点 第一是要求传送速度快 传送时间小于视觉暂留特性 约50 200mS 第二是传送要准确 表现在位置和时间上都要准确 2 帧的概念一幅图象的所有像素的总和叫一帧 把一幅图象的所有像素都正确的传送一遍叫帧处理 在电视系统中 传送速度为25帧 秒 8 图1 3顺序传送像素示意图 3 电子扫描的概念将一帧中所有的像素 按顺序转换成电信号 或逆过程 称为扫描 从左到右称为行扫描从上到下称为场扫描 帧扫描 9 1 1 2光电与电光变换电视图像的传送 在发端是基于光电转换器件 在收端是基于电光转换器件 实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管 1 摄像管与光电转换图1 4为光电导摄像管 属电真空器件 它主要由镜头 光电靶 聚焦线圈和偏转线圈组成 光电靶是由半导体材料构成的 它的电阻率随照射到上面的光强增大而减小 当电子束按一定顺序和时间扫描到每个象素时 就能获得一副图象的电信号 图象亮度越高 输出电压越小 图1 5是光电转换原理示意图 10 图1 4光电导摄像管 11 图1 5光电转换原理示意图 2 显像管与电光转换如图1 6所示 在接收端重现图像的是显像管 显像管也是电真空器件 主要由电子枪 荧光屏 偏转线圈等组成 12 这里需要说明的是 对于摄像管来说 光电转换特性可近似认为是线性的 而显像管电光转换特性则是非线性的 显像管的显示亮度 以Bd表示 与其栅 阴极间电压 以ugk表示 的 次方成正比例 即 1 1 图1 6显像管 13 如果图像信号由发送端传到接收端的传输过程中未产生非线性失真 考虑到显像管电光转换的非线性 为保持重现图像与原景像亮度成正比 则需在摄像端预先将图像信号电压开 次方 即 1 2 1 3 式中 u0代表摄像电压 B0为摄像亮度 K0为比例常数 经预失真校正 常称为 校正 重现亮度Bd则为 14 1 1 3电子扫描1 逐行扫描 1 电子束偏转的基本原理 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1 7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 由于在图1 7所示的锯齿波电流作用下 电子束产生自左向右 自上而下 一行紧挨一行的运动 因而称其为逐行扫描 图1 8是在扫描电流作用下的光栅形状 15 图1 7逐行扫描电流波形 a 行扫描电流波形 b 场扫描电流波形 16 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 17 图1 9偏转线圈结构示意图 a 行偏转线圈 b 场偏转线圈 18 2 扫描电流的非线性对显示图像的影响 由于扫描电流的非线性 会带来扫描速度随时间变化 因此会使恢复图象失真 如果是扫描电流幅度发生变化 也会使图象失真 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 19 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 20 2 隔行扫描在逐行扫描时 场频等于帧频 要使图象无闪烁感 每秒必须传送46 8场以上的图象 我国规定场频为50Hz 每帧为625行 理论分析得出 此时的电视图象信号带宽约为11MHz 这样会使设备复杂 频段利用率低 具有带宽和清晰度之间的矛盾 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 这样 场频仍为50Hz 帧频为25Hz 但带宽降低了一倍 为5 5MHz 21 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 22 第一场 奇场 从左上角开始按1 1 3 3 顺序扫描 直到最下面的中点a为止 共计5 5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a 11 行的扫描 接着完成2 2 4 4 等偶数行的扫描 注意 为了实现奇场和偶场的光栅嵌套 每帧总行数必为奇数 当图象中如果有一行亮线时 会会出现行间闪烁 可能存在并行现象 使清晰度减低 当图象上有水平运动的物体速度很大时 由于相邻行具有时间差 因此会出现垂直边沿的锯齿化现象 23 逐行扫描和隔行扫描对比 24 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1 13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 差别很小 可近似为周期信号 25 图1 13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 26 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 1 所谓亮度 通常是指单位面积的光通量 它由图象信号的直流分量来确定 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 27 2 对比度是客观景物最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比 当以K表示对比度时 有 1 4 3 灰度表示亮度级差和亮度层次 它反映所能重现图象的明 暗程度 28 1 2 2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1 14 a 为发端图像 图 b 为相位不同步的情况 图1 14相位不同步产生的失真 a 发端图像 b 收端失真图像 29 因此为了收发同步 发送端每扫完一行后在行逆程期间期内加入一个宽度为4 7 S的行同步脉冲 如图1 15 a 每扫一场后在在场逆程期间期内加入一个宽度为160 S的场同步脉冲 接收端分离出这些同步信号 去控制扫描电流的周期和相位 通常将行 场同步信号合称为复合同步信号 图 15 a 行同步和复合同步信号 行同步信号 复合同步信号 场同步宽度160 S 行消隐宽度 行同步宽度 30 2 复合消隐信号在行 场扫描的逆程期间 在摄像管和显像管中分别加入一个能使扫描电子束截止的行消隐脉冲与场消隐脉冲 其电平应为黑色电平 二者合成为复合消隐信号 目的是清除回扫线 如图1 15 b 图 15 b 复合消隐信号 奇数场 偶数场 31 图1 15 c 复合同步与复合消隐信号叠加波形 图1 15 c 是复合同步与复合消隐信号叠加后的波形 32 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 槽脉冲 3 槽脉冲和均衡脉冲图1 15 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1 16所示 33 从图1 15可以看出 在场同步期间行同步信号中断 这样容易造成每场的开始几行不同步 因此要在场同步期间 加入槽脉冲 以保证脉冲的连续性 如图1 17 a 所示 由于隔行扫描时奇数场行同步脉冲与偶数场行同步脉冲的相位相差半个行周期 所以在用积分电路分离场同步信号时 造成积分器上的电压不同 使得如果在一个固定的电平上产生场同步的话 必然带来两场同步时间上的差异 如图1 17 b 所示 为了解决这个问题 在场同步信号前后的个2 5个行周期内 将行同步信号周期提高一倍 而脉冲宽度减少为原来的一半 这些脉冲叫前均衡脉冲和后均衡脉冲 周期为TH 2 宽度为2 35 S 但槽脉冲的宽度仍为4 7 S 如图1 17 c 所示 34 图1 17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 35 图1 17复合同步脉冲及积分结果 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 36 1 2 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1 18所示 各脉冲的宽度和电平为 行消隐 12 S 场消隐 25TH 12 S 25x64 12 1612 S 行同步 4 7 S 场同步 2 5TH 2 5x64 160 S 槽脉冲 4 7 S 均衡脉冲 2 35 S 同步信号电平为100 电平 黑电平和消隐电平为75 白色电平为10 12 图象信号电平在黑白电平之间 37 图1 18黑白全电视信号 a 奇数场信号 b 偶数场信号 38 2 全电视信号的频谱全电视信号的频谱 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 39 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 4 由于辅助信号为周期性矩形脉冲 频谱与脉冲宽度 有关 而且大部分能量集中在f 3 以内 如图1 20 比如对于行脉冲来说 fmax 3 638KHz 因此结论出 全电视信号具有在0 6MHz范围内离散分布的束状离散频谱结构 如图1 19 40 图1 20各辅助脉冲信号的频谱 41 图1 21全电视信号频谱示意图 42 1 3彩色的基本概念 1 3 1彩色和光密不可分 图1 22电磁波波谱及可见光光谱 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1 22所示 43 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 随着波长由长到短 呈现的颜色依次为 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 见图1 22 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 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 如图1 23所示 44 图1 23太阳光的棱镜分解 45 2 物体的颜色人们看到的颜色有两种来源 一种是发光体所发出光的颜色 另一种是物体反射或透射的颜色 物体所呈现的颜色与照射它的光源有关 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 按国际照明委员会 CIE 规定 各标准白光源的特点如下 A光源 相当于2800K钨丝灯所发的光 B光源 相当于中午直射的太阳光 C光源 相当于白天的自然光 D光源 相当于白天平均照明光 E光源 是一种理想的等能量的白光源 46 图1 24标准白光源的光谱 A光源 相当于2800K钨丝灯所发的光 色温2854K B光源 相当于中午直射的太阳光 色温4800K C光源 相当于白天的自然光 色温6800K 是NTSC制标准白光源 D光源 相当于白天平均照明光 色温6500K PAL制电视标准白光源 E光源 是一种理想的等能量的白光源 色温5500K 47 1 3 2视觉特性在电视系统中 主要利用了人眼视觉的某些特性 如视觉惰性 分辨能力 视敏特性和彩色视觉 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 它决定了该物体呈现的颜色 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 同等波长但强度不一样 或强度一样但波长不同 E光源 人们感觉到的亮度是不一样的 图1 25是人眼对E光源的相对视敏曲线 48 图1 25相对视敏曲线 49 2 人眼的亮度感觉亮度感觉 即包括人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观亮度感觉 1 人眼可以感觉到的亮度范围 百分之几nit 几百万nit 虽然相当宽 但当眼睛适应于某一平均亮度后 能分辨的亮度范围就比以主观感觉 亮 与 暗 为界的范围缩小了 2 在不同的环境亮度下 同样的亮度 给人的主观亮度感觉却完全不同 3 当人眼适应于不同的平均亮度后 可分辨的亮度范围也不相同 因此得出 电视景象重现无需等于实际景象的亮度 只要保持重现图象的对比度即可有逼真的图象 50 3 人的彩色感觉人眼视网膜存在大量形状为杆状和锥状的光敏细胞 杆状细胞 灵敏度极高 低照度时明暗辨别能力很强 但对彩色不敏感 锥状细胞可辨别明暗和色彩 分为三类 分别称为红敏 绿敏和蓝敏 如果某束光线只能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 如果三种细胞受光刺激程度不同 就会感觉到各种不同的颜色 这就是彩色电视系统摄取和还原彩色的基础 51 1 3 3彩色三要素和三基色原理1 彩色三要素对于彩色光通常可由亮度 色调和色饱和度三个物理量来描述 这三个量常被称为彩色三要素 亮度 彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉 用Y表示 色调 指彩色光的颜色类别 饱和度 指颜色的深浅程度 即颜色的浓度 可在某种色调的光中加入白光来改变饱和度 色调和饱和度合称为色度 52 2 三基色红色 Red 绿色 Green 和蓝色 Blue 称为三基色 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 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 53 3 混色方法 图1 26相加混色圆图 如图1 26所示 由图可见 红光 绿光 黄光红光 蓝光 紫光 品光 绿光 蓝光 青光 1 5 红光 绿光 蓝光 白光 54 实现混色还有如下几种方法 1 空间混色法 利用人对细节分辨差的特点 将三种基色光点充分靠近 而产生视觉混合后的颜色 2 时间混色法 利用人的视觉特性 顺序地让三种基色光出现在同一表面的同一处 当时间足够短时 靠视觉特性感觉出混合颜色 3 生理混色法 当人的两只眼睛分别观看不同颜色的同一彩色景象时 在大脑中产生相加混色 55 图1 27色度三角形 4 色度三角形三基色混合所产生的各种颜色 可以由色度三角形予以说明 如图1 27所示 56 1 3 4计色制及色度图给定一种颜色 通过实验可以确定配出这种颜色的三基色的混合比例 这种量度系统称为计色制 各种计色制对应的彩色光色度平面图称为色度图 1 配色实验配色实验可通过比色来进行 其示意图如图1 28所示 图1 28配色实验示意图 57 调节三基色光的强度 直到混合后的彩色与待配色完全一样 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为 F R R G G B B 1 6 F代表彩色量 R G B代表三基色调节器系数 R G B 代表三基色单位量 其中红波长为700nm 绿波长为546 1nm 蓝波长为435 8nm 1 R 1lm 1 G 4 5907lm 1 B 0 060lm 对于等能白光 R G B 1 即 FE白 1 R 1 G 1 B 1 7 其光通量为 FE白 1 1 1 4 5907 1 0 0601 5 6508lm 1 8 58 2 计色制及色度图 1 RGB计色制及其色度图以 R G B 为单位量 用配色方程进行彩色量度和计算的系统称为RGB计色制 实际中 彩色的质的区别决定于色调和饱和度 即色度 色度与三基色系数的比例有关 为此 引入三基色相对系数r g b 令m R G B m称为色模 则r g b分别为 1 9 因为R G B三个色系数的比例关系与r g b的比例关系相同 所以它们都可以表示同一彩色的色度 且 1 10 59 由于r g b三者之和为1 所以只要知道其中两个的值 就可由式 1 10 确定第三个的值 因此 只要选两个三基色相对系数 就可用二维坐标表示各种彩色光的色度 RGB色度图就是在r g直角坐标系数中表示各种彩色光色度的平面图 如图1 29所示 谱色轨迹 60 2 XYZ计色制及其色度图XYZ计色制所选取的三基色单位量分别为 X Y Z 它们不代表实际的彩色 也不能通过物理混色而得到 只能计算得出 计算三基色具有如下特点 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 规定系数Y在数值上等于彩色光的全部亮度 合成光的色度仍由X Y Z三个系数的比值决定 当X Y Z时 仍代表E白 据以上各点 可求出两种计色制三基色单位量及三基色系数之间的对应关系 X 0 4185 R 0 0912 G 0 0009 B Y 0 1578 R 0 2524 G 0 0025 B Z 0 0828 R 0 0157 G 0 1786 B 1 11 61 X 2 7690R 1 7518G 1 1300BY 1 0000R 4 5907G 0 0601BZ 0 0000R 0 0565G 5 5943B 1 12 类似地 这里也引入三基色相对色系数x y z 设X Y Z m 则x y z分别为 虽然x y z 1 同样x y z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图1 30所示的XYZ色度图 亦称CIE色度图 1 13 62 图1 30XYZ色度图 该色度图具有如下特点 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 舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线 不在同一等色调线上的任意两点 表示了两种不同的颜色 由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上 饱和度相同的彩色所对应的各点的连线称为等饱和度线 见图中所注 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 63 3 亮度方程在XYZ计色制中 只有Y代表亮度 故可方便地给出彩色亮度与三基色的关系式 由式 1 12 可知 Y 1 0000R 4 5907G 0 0601B 1 14 以C白光为标准白光源的NTSC制彩电制式 其亮度方程为 YN 0 229RN 0 587GN 0 114BN 1 15 以D65光为标准白光源的PAL制彩电制式 其亮度方程式为 YP 0 222RP 0 707GP 0 071BP 1 16 为了书写方便 一般应用中 略去显像三基色系数下标 并被近似地写为 Y 0 3R 0 59G 0 11B 1 17 64 1 3 5彩色图像的摄取与重现1 彩色图像的摄取由三基色原理知 要实现彩色电视发送 较实用的方法就是首先要将一幅彩色图像分解为红 绿 蓝三幅基色图像 以获得三基色信号电压R G B 系ER EG EB的简化写法 三种基色光 分别由三个黑白摄像管进行光 电变换 摄像管本身并无辨色能力 它只能辨别亮度 色度则由三者的比例关系决定 65 图1 31彩色画面的分解 66 图1 32基色图像及基色信号 a 被摄彩条图像 b 红基色图像 b 红基色电信号 c 绿基色图像 c 绿基色电信号 d 蓝基色图像 d 蓝基色电信号 67 2 彩色图像的重现彩色显像管与黑白显像管不同 黑白显像管所作用的图像信号只有亮度信号 亮度信号控制电子束的强弱 在