电视原理第1章(1).ppt

电视原理 天津大学电子信息工程学院 内容简介 本课程是电子信息工程专业主干课程 目的是使学生掌握电视系统的基本原理 它是专业知识的综合体现 本课程对电视系统从基本原理 图像摄取 处理 传输 存储 重现 进行较系统的学习 教材与参考书目 教材 电视原理 高等学校电子信息类规划教材 俞斯乐等国防工业出版社第6版2005参考书目1 电视原理实验 国防工业出版社2 数字电视技术基础 惠新标郑志航编著电子工业出版社 作业与实验要求 1 完成规定课堂作业 2 独立完成实验操作 上交实验报告 电视的诞生 电视是20世纪人类最伟大的发明之一 1925年 苏格兰发明家贝尔德用自行装置的机械电视设备 第一次将移动的图像传向远处的接收机现场 1925年10月2日 位于伦敦一间顶楼的临时实验室里 贝尔德用摄像机扫描了一个木偶的头部 他欣喜地发现 木偶的头部被闪烁不定地复制在他安置于另一间屋子的荧屏上 于是 他飞快地跑出实验室 临时雇了一个小伙计坐在他的摄像机前 重复他的实验 这位名叫泰因顿的年轻小伙子幸运地成为历史上第一个出现在电视上的人 1926年1月 贝尔德在伦敦皇家科学研究所首次示范电视技术 最早的电视广播 最早的电视广播于1929年在伦敦开播 使用了约翰 洛吉 贝尔德建造的系统 画面引起了一阵轰动 但它们一点儿也不像现代的电视广播 现代彩色电视画面是由500至1000条以上的扫描线组合起来的 贝尔德的画面只有30条扫描线 并且是黑白两种颜色 这使得画面非常模糊 世界上最早的电视台是1936年11月2日在伦敦郊外亚历山大宫建立的大众电视台 我们国家第一座电视台是1958年5月1日试运行的北京电视台 也就是现在的中央电视台 电视技术的发展 电视技术本身 第一代 黑白电视 20世纪20年代 第二代 彩色电视 20世纪40年代 第三代 高清晰度电视 20世纪80年代 信号处理技术 第一代 模拟电视第二代 数字处理电视第三代 数字电视电路工艺 第一代 电子管第二代 晶体管第三代 大规模集成电路 传输媒介 单一的地面微波扩充到电缆 卫星 网络 无线移动功能覆盖 单一的活动图像广播扩充到数据广播 视频点播 收费电视 立体电视 多视点视频等 电视技术的特点 快速发展模拟 数字电视并存各种制式群雄并起各类设备争奇斗艳多学科综合的 代表性的电子信息工程 物理学 生理学 数学 电子电路 计算机 信号处理 通信技术 深入日常生活 可见可感构思奇巧 实现精到有助于实现知识的贯穿和系统概念的建立 天津大学电子信息工程专业以电视技术为特色 20世纪60年代在全国高校最早开设电视原理课程 20世纪70年代参加全国电视会战 1979年创建了天津大学电视研究室 现为天津大学电视与图像信息研究所 是中国高校中唯一经国家教育部批准设立的从事这一领域研究的科研单位 1980年代 91mm钻孔彩色电视设备 获国家科技进步二等奖 电视多工广播 获国家教委科技进步一等奖 彩色电视屏幕墙系统 获机电部科技进步三等奖 数字HDTV TV频带压缩编解码技术 被电子部评为电子行业 八五 国家科技攻关重大成果 HDTV信源解码器 的研制任务 被国家计委 科技部等评为 九五 国家重点攻关重大成果 数字高清晰度电视系统关键技术与设备 2002年获国家科技进步二等奖及上海市科技进步一等奖 数字高清晰度电视机顶盒技术 2003年获天津市科技进步一等奖 出版了我国电视技术领域的首部专著 电视原理 作为全国统编教材目前已修编了6版 获电子部全国工科电子类专业优秀教材一等奖 2009年电视原理被批准为国家级精品课 电视 根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物图像的技术 第1章视觉特性与三基色原理 电视技术的精髓就是研究如何用最经济 最有效的方法使重现光像能够使人感到最逼真地模拟实际景物的光像 电视使人人都是千里眼 顺风耳 人人不出屋 便见天下物 电 视 顾名思义是物理学与生理学结合的科学 为使使重现光像逼真地模拟实际景物的光像必须首先了解光特性 了解人对光像的感觉特性 1 1光的特性 1 1 1电磁辐射与可见光谱 780nm 380nm 可见光 1 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 太阳辐射的光含有各种单色光的波谱 给人以白光的综合感觉 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 被分解之后的色光 若再次经过棱镜 就不能再分解了 这种单一波长的色光称谱色光 太阳光谱辐射大部分为可见光 感谢造物主 人恰恰对这部分电磁辐射敏感 电视不但可以把视线不可及的景物变成可及的 还可以把视力不可见的变成可见的 如红外电视和紫外电视 为了真实重现彩色景物需要研究光源 光源包括太阳光和人造光源 彩色感觉是人眼主观视觉功能和物体 光源属性等客观条件结合的产物 同一物体在不同光源下可呈现不同的彩色 1 1 2光源 一 色温的概念 定量地描述光源所发出的白光的品位 绝对黑体 指既不反射也不透射而完全吸收入射波的理想物体 色温 当绝对黑体在某一特定绝对温度下 其辐射的相对光谱功率分布与某一光源的光谱相同时 则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温 单位是开 K 1 1 2光源 二 标准照明体和标准光源 标准光源 A白光源 2800K B白光源 4800K C白光源 6770K D65白光源 6500K E白光源 5500K 等能白光 E白 1 2 1眼睛的构造 1 2人眼的视觉特性 人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性 眼睛可类比与一个摄像机 人的视网膜通过神经元来感知外部世界的颜色 每个神经元或者是一个对亮度和颜色敏感的锥体细胞 或者是一个只对亮度敏感而对颜色不敏感的杆体细胞 1 2 2光的度量 1 光谱光视效率光的度量是指用人眼的视觉度量光 视觉效应是由可见光刺激人眼引起的 如果光的辐射功率相同而波长不同 则引起的视觉效果也不同 不仅颜色感觉不同 而且亮度感觉也不同 在产生相同亮度感觉的情况下 测出各种波长光的辐射功率 e 则 光谱光视效能 K 1 e 用来衡量视觉对波长为 的光的敏感程度 当 555nm时 有最大的光谱光视效能 Kmax K 555 任意波长光的光谱光视效能K 与Kmax之比称为光谱光视效率 相对视敏度 用函数V 表示 V K KmaxV 也可用得到相同主观亮度感觉时所需各波长光的辐射功率 e 表示 V e 555 e 1933年国际照明委员会 CIE 测得的明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线 明视觉 暗视觉 2 光度学中几个度量单位 发光强度I 单位是cd 读作坎德拉光源在给定方向上发出波长555nm的单色辐射 且在此方向上的辐射功率为 1 683 W sr 1lm sr 则称该光源在此方向上的发光强度为1cd I d e d cd是国际单位制 米 千克 秒制 的一个基本单位 光通量 单位是lm 读作流明按人眼光感觉度量的辐射功率 1流明等于发光强度为1cd的点光源 在1球面度立体角内发射的光通量 1lm 1cd sr波长555nm的单色光辐射功率为 e 555 1W时产生的光通量为1光瓦 根据坎德拉的定义1光瓦 683流明波长 的单色光辐射功率为 e 瓦时 相当于波长555nm的单色光辐射功率为 e V 瓦 光通量为 e V 光瓦 或683 e V 流明 非单一波长的光源 其发出之光通量 是它在各波长范围所发出的光通量总和 对于N个单色光 1 2 N组成的光源 N 683 e i V i lm i 1对于具有连续光谱功率分布密度 e 的光源 780 683 e V d lm 380 亮度L 单位是cd m2 读作坎 米2亮度表示发光面的明亮程度 L dI ds 同样的发光强度面积越小亮度越大 I d e d L dI ds2 L d e d ds亮度单位有时也用流明 1 2 3亮度 彩色与立体视觉 1 明暗视觉亮环境下锥体细胞 杆体细胞共同起作用 分辨明暗 彩色 称为明视觉 暗环境下只有杆体细胞起作用 只能分辨明暗 称为暗视觉 暗视觉比明视觉的相对视敏度曲线偏左 偏向短波长 2 彩色视觉彩色光的三个基本参量 彩色三要素 1 亮度 光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉 2 色调 表示颜色的种类 3 饱和度 表示颜色的深浅程度 即彩色的纯度 掺入白色的程度 色度 色调和饱和度又合称为色度 色度既说明彩色的类别 又说明彩色的深浅程度 亮度取决于人眼感觉的光功率的大小 色调取决于进入人眼的光的波长 饱和度取决于纯色光中混入白光的程度 HSL彩色模型 3 立体视觉双眼立体视觉 两眼相距约58 72mm 两眼视物相当于从不同角度看物体 物体融合为立体图像 形成双眼立体视觉的主要因素是视差和辐辏 1 2 4眼睛的视觉范围与视亮度 人眼能感觉的绝对亮度范围与在适应了某一环境平均亮度下的亮度范围不同 前者为1亿比1 后者为1千比1 视亮度 在一定背景亮度环境下人的主观亮度感觉 费涅尔系数 Lmin L Lmin称为可见度阈值 视亮度S klgL k0 韦伯 费涅尔定律 k k0在一定背景亮度环境下为常数 不同的背景亮度环境有所不同 锥体细胞在3cd m2时最灵敏杆体细胞在10 3cd m2时最灵敏背景亮度环境很低或很高时 较大 k较小 视亮度不敏感 2 图像中最大亮度Lmax与最小亮度Lmin的比值C称为对比度 C Lmax Lmin例 实际传送的景物亮度200 20000cd m2 电视屏幕亮度2 200cd m2 两者对比度都为100重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等 只需保持二者的对比度相同 人眼不能觉察的亮度差别无需精确复制 亮度可以量化为有限个量化等级 例如256级 视觉掩盖效应 在空间不均匀背景中 可见度阈值将会增大 这种现象称为视觉掩盖效应 在图像边缘处可以粗量化 可见度阈值 对比度2 75 对比度8 7 对比度27 5 背景阶跃变化对比度 1 2 5人眼的分辨力与空间频率响应 1 黑白细节分辨力视敏角 分辨角 观测点 眼睛所在点 与人眼能分辨的相距最近的两个点所形成的夹角 正常人的视敏角 1 1 5分人眼的分辨力 视敏角 的倒数 d 2 D 360 60 3438d D分辨力与观看位置 照明强度 景物相对对比度 物体运动速度有关 空间频率 单位视角 1 内正弦变化的空间条纹数 电视系统的空间频率响应 包括空间采样频率 应该与视觉分辨力相适应 人眼相当于一个低通滤波器 视觉细胞一定面积 视觉分辨力 低通滤波器 2 彩色细节分辨力 人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低彩色电视系统传送彩色图像时 细节部分只传送黑白图像 大面积着色原理 3 彩色色调分辨力 人眼对不同波长的光有不同的色调感觉 人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈 色调分辨力与色调分辨阈成反比 色调分辨力随波长变化而改变 480nm 640nm区间色光的色调分辨力较高 对电视系统色调失真要求比较严格 4 彩色饱和度分辨力 视觉所能分辨的色光饱和度由100 到0变化的等级数称为彩色饱和度分辨力 彩色饱和度分辨力随波