电视技术发展史

1 电视基础知识 电视的发展历程 2 电视与报纸 广播等其他传播媒介最大的不同是视听兼备 这同时也是电视最大的优势 它声画并茂 将真实的现场和事件展现在电视观众面前 使观众如身临其境 因而成为观众最喜闻乐见的大众传播媒介 另外 电视还可以借鉴吸收报刊 广播 文学 电影等多种媒体和艺术形式的长处 不断丰富自身的语言和表现形式 如目前比较常见的电视读报 就是通过对报纸等平面媒体传播形式的整合 使观众可以边 看 边 听 报纸 3 借助高科技手段 电视的传播速度和覆盖范围都是其他媒体难以匹敌的 电视具有极强的时效性 能对正在发生的事情进行追踪报道 卫星电视转播和直播能够真正实现 天涯共此时 4 电视还具有互动性 电视演播现场的人际交流和面向每一个家庭的播出 使众多的观众参与了电视节目 观众还可以通过电话 手机短信等其他媒体参与电视的交流和互动 5 1 电视传播的序幕 尼普柯夫圆盘 电视的基本原理早在电报发明时代就已经被提出来 把图像分解成像素 再把像素转换成电信号 电信号传送到远方后通过接收机把它还原为图像 1873年 英国的史密斯发现了硒的光敏性 即在有光照射的情况下导电性能增加 这种光敏材料的出现使光转换为电信号成为可能 6 1884年 还是一名大学生的德国发明家尼普柯夫提出了一种图像分解方案 由此拉开了电视传播的序幕 尼普柯夫扫描圆盘上有一圈沿螺旋线排列的孔 当转动圆盘时 每一个孔就呈现出图像不同的部分 从而产生明暗程度不同的光信号 把这些光信号投射到硒光电管上 就转换为相应的电信号 整个圆盘的转动相当于对图像整体进行扫描 如果在接收端设置一个同样的尼普柯夫圆盘 并与发射端的圆盘同步旋转 那么 通过接收端圆盘的电光转换 可以再现原来的图像 尼普柯夫圆盘利用了人眼的 视觉暂留 现象 当圆盘的转速到达某一个值以后 复原的图像就不再是断续的图像片断 而是一个看起来连续的完整图像 7 尼普柯夫的圆盘扫描法 是解决电视机械扫描的经典方法 在电视发明史上占有重要的地位 1884年11月6日 尼普可夫把他的这项发明申报给柏林皇家专利局 他在专利申请书的第一页这样写道 这里所述的仪器能使处于A地的物体 在任何一个B地被看到 一年后 专利被批准了 这是世界电视史上的第一个专利 专利中描述了电视工作的三个基本要素 把图像分解成像素 逐个传输 像素的传输逐行进行 用画面传送运动过程时 许多画面快速逐一出现 在眼中这个过程融合为一个完整的动作 这是以后所有电视技术发展的基础原理 今天的电视仍然是这样工作的 1900年 在巴黎举行的世界博览会上第一次使用了 电视 这个词 可是最简单最原始的机械电视 在20多年以后才出现 8 贝尔德与电视的诞生 电视的诞生是与被誉为 电视之父 的英国工程师贝尔德紧紧联系在一起的 贝尔德在 尼普柯夫圆盘 的基础上进行了新的研究工作 于1925年发明了机械扫描式电视摄像机和接收机 该电视装置采用尼普柯夫圆盘进行扫描 精度为30行 扫描频率为每秒5幅 他还采用了电子管对图像信号进行放大 尽管复原的图像很少 很不稳定 但确实能大体看出图像的面貌 9 1926年1月 贝尔德发明的机器有了明显的改善 他立刻给英国科学皇家学会写了一封信 请求该会实地观察 当贝尔德从一个房间把一个办公室勤杂工干活的活动影像传送到另一个房间时 应邀前来的专家们一致认为 这是一件难以置信的伟大发明 赞助者也很快意识到了这项发明的市场前景是广阔的 于是纷纷投资 成立了多家公司 10 经过不断改进设备提高技术 贝尔德的电视效果越来越好 名声也越来越大 引起了极大的轰动 后来 贝尔德电视发展公司 成立了 不断推出引起轰动的表演 1927年 他用电话线成功地实现了伦敦至格拉斯哥的电视画面传送 全程640公里 1928年春 贝尔德又尝试用短波传送电视信号 利用漂浮在大西洋中的汽船 把图像从伦敦传至纽约 1929年 贝尔德可以实现每秒12 5帧 每帧30行的电视传输 这一时期的贝尔德春风得意 他的技术脱颖而出 凌驾在其他电视发明家之上 11 1936年11月2日是人类历史上一个值得纪念的日子 这一天在伦敦亚历山大宫 英国广播公司 BBC 使用贝尔德的240行扫描机械电视系统 正式播出了一场规模宏大的歌舞晚会 因此 这一天被认为是世界电视的诞生日 在此之前 英国 美国等国家已经开始了电视实验广播 美国的第一座实验台出现于1928年 英国于1929年开始实验播出 BBC也被认为是世界上第一个电视台 当时电视的播出时间为每周13小时 传播范围仅限于亚历山大宫方圆35英里以内 几百名幸运的观众通过奇妙的电视匣子看到了有声有景的魔术般的景象 几个月后 BBC采用了新的电视设备 扫描线发展到405行 图像更加清晰 12 电子电视系统的出现 尼普柯夫圆盘在发明的时候还只是一个方案 当时的光电流和电压的变化太小 而且信号放大技术还未出世 很难付诸实施 1897年 德国人布劳恩发明了一种带荧光屏的阴极射线管 当电子束撞击时荧光屏会发光 当时布劳恩的助手曾提出用这种管子做电视的接收管 固执的布劳恩却认为这是不可能的 1906年 布劳恩的助手迪克曼和格拉克用这种阴极射线管来显示线条和字母 这就是最早的电子显像管 13 1907年 俄国发明家罗辛将尼普柯夫圆盘与布劳恩管结合起来 设想了一种由前者发射信号 后者接收信号的电视系统 1908年 苏格兰工程师坎贝尔 温斯顿进一步设计出了发射端和接收端均采用阴极射线管的方案 发射端的阴极射线管由互相绝缘的光敏元件镶嵌而成 有待传输的图像投射到阴极管时 对不同光敏元件产生不同的电荷存储量 当用电子束对这些带电光敏元件进行扫描时 它们放电产生不同强度的电流 坎贝尔 温斯顿设计的发射端的阴极管 正是今天摄像管的雏形 1911年 俄罗斯圣彼得堡大学教授罗律格研制成功了世界上第一个电子束显像管电视实用模型 并成功地显示了第一幅简单的电视图像 14 但是由于当时的阴极管寿命短 扫描精度和速度均有限 因此一开始的电视研制工作还是沿着尼普柯夫圆盘机械扫描的思路进行 前面提到的贝尔德设计的就是机械电视系统 20世纪20 30年代电视技术的发展受制于机械扫描固有的限度 图像不清晰 动作不连续 不自然 与实际图像有很大差异 高质量的图像传输需要高速度和高精度的扫描技术 但尼普柯夫圆盘难以胜任 人们又想起了布劳恩管 认识到坎贝尔 温斯顿方案是电视技术发展的必由之路 15 美籍俄国物理学家兹沃里金开辟了电子电视的时代 早在1923年 兹沃里金就发明了电子扫描技术 5年以后的1928年兹沃里金终于将利用电子扫描来摄取图像的光电摄像管制造出来 进行了一系列改进后 1933年 他公开发表了他的光电摄像管成果 与此同时 科学家们先后发明了电子发射管和电子接收管 实现了使电视摄像与显像完全电子化的过程 自从电子扫描技术取代机械扫描技术 图像分辨率就大大提高了 电子电视以其潜在的前景优胜于机械电视 1935年 英国政府在为本国选择电视标准时 支持EMI 电子音乐工业公司 系统 一种在兹沃里金发明基础上改进的405行扫描线电子电视系统 所以 英国电视开播不久 贝尔德的机械电视系统便遭淘汰 16 最初的电视录像技术 20世纪40年代 随着磁记录技术的发展和磁录音技术的日趋成熟 人们希望利用磁记录方式完成视频信号的存储和复制 以解决视频信号只能实况播出或通过电影胶片存储的问题 实现视频信号记录最早是沿用录音机中的固定磁头 将电信号和磁信号相互转换的部件 方式 然而视频信号比声音信号频率高 而且频带宽 为了实现高频记录 最早设计的磁带录像机采用高速走带的方法 为了实现宽频记录 则采取将视频信号分成若干段 由多个磁头分别记录 重放时再合成的方法 17 虽然当时美国无线电公司 RCA 和英国广播公司 BBC 分别推出了采用这种记录方式的样机 然而由于固定磁头高速走带的记录方式磁带消耗量大 难以实现高速稳定走带 这种采用方式最终没有成功 但这一工作为后来的研制工作积累了经验 经过多年的探索和实践 美国安培公司终于突破了视频信号磁记录的难点 研制出旋转磁头低速走带的记录方法 将磁头安装在磁鼓上 磁带缠绕磁鼓 水平低速前进 而磁鼓反向高速旋转 磁头在旋转过程中完成数据的存取工作 并于1956年推出了第一部实际应用的旋转四磁头广播用录像机 成功解决了电视节目的存储 复制和后期制作的问题 揭开了磁带录像机发展的序幕 18 从黑白电视到彩色电视 根据三基色原理 自然界中的大部分彩色都可以分解成红 绿 蓝三种基色光 而这三种基色光又可以按一定比例调配出自然界中的大部分色彩 彩色电视系统在传送彩色图像时 不需要传送彩色的所有光谱信息 只要传送三个基色信号 在接收端再对三个基色信号进行复合 便能重现彩色图像 19 与黑白电视不同的只是 原来只需要发送一种信号 现在增加到三种信号 这三种信号是同时发射还是顺序发射 决定了彩色电视不同的发展方向 同时发射 可以与黑白电视机兼容 是当时公众能够接受的方式 20 1940年 美籍匈牙利人彼得 戈马在前人研究的基础上 制成了世界上第一部彩色电视机 他将拍摄物体的色彩分解成红 绿 蓝三种颜色 然后用编码器把它们组合成一个信号束 同时发射出去 接收时 电视机里安有解码器 能将信号分解还原成三种颜色的光束 当这些光束同时照射到屏幕上时 奇迹出现了 玫瑰变成了红色 树叶变成了绿色 天空是蓝的 云朵是白的 1954年 美国全国广播公司 ABC 正式播送彩色电视节目 21 全球并存的3种模拟彩色电视制式 目前世界各国的电视制式不尽相同 制式的区分主要在于其帧频的不同 分解率的不同 信号带宽以及载频的不同 色彩空间的转换关系不同等等 世界上现行的模拟彩色电视制式有三种 NTSC制 PAL制和SECAM制 这里不包括高清晰度彩色电视HDTV High Definitiontelevision 22 NTSC制 PAL制和SECAM制都是兼容制制式 这里说的 兼容 有两层意思 一是指黑白电视机能接收彩色电视广播 显示的是黑白图像 另一层意思是彩色电视机能接收黑白电视广播 显示的也是黑白图像 这叫逆兼容性 为了既能实现兼容性又要具有彩色特性 彩色电视系统应满足几方面的要求 必需采用与黑白电视相同的一些基本参数 如扫描方式 扫描行频 场频 帧频 同步信号 图像载频 伴音载频等 必须将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号 以及代表色度的两个色差信号 并将它们组合成一个彩色全电视信号同时进行传送 23 有线电视的局部覆盖 有线电视 CATV 的最初形式是共用天线系统 起源于1950年美国的偏远地区 是在电视覆盖区的边缘地带 选择有利地形和干扰小的场所 架设性能优良的电视接收天线 把收到的优质信号经过放大 处理后 用电缆分配给用户 这样就形成了多个电视用户共用一套接收天线的接收形式 随着技术的不断发展 共用天线系统逐渐超越了单纯接收的功能 开始自制节目并进行现场直播 形成了一套独立完整的有线电视广播体系 70年代后期卫星电视出现后 天上的卫星电视广播和地面有线系统结合 使有线电视得到迅速发展 无线上星 有线入户 逐渐成为电视传播的主要形式 24 有线电视的发展经历了三个阶段 第一阶段是共用天线电视系统 第二阶段是电缆电视 用同轴电缆传输信号 又叫闭路电视 这两个阶段又称为传统有线电视系统 只能单向向用户传输电视节目 被称为第三阶段的现代有线电视系统 开始于上世纪80年代后期 是一个双向传输系统 可以提供交互式数字电视以及普通电话 可视电话 Internet接入等综合性服务 从而实现视频 数据 话音三网合一 25 卫星电视的全面覆盖 卫星电视系统是以卫星转发为主要传输方式的广播系统 由于其覆盖面积大 通信容量高 通信质量好 成本低 得到了很快发展 卫星传输是靠安装在卫星上的转发器实现的 因此这种传输方式的覆盖面积很大 而且投资省 见效快 卫星传输所占用的频段宽 可容纳的节目套数多 信息容量大 26 卫星电视广播共有三种方式 一是通过普通的通信卫星将模拟电视信号转发到本地电视台 有线电视网或集体接收站 然后进入千家万户 二是采用模拟制式的大功率电视直播卫星 直接面向家庭传播电视信号 但是由于这种电视信号未经数字压缩处理 每台转发器只能直播一路电视节目 每颗卫星一般只能直播3路电视 三是90年代初期发展起来的Ku频段数字视频压缩电视直播卫星 每台转发器可以面向装有0 45m口径卫星电视接收天线的家庭直播4 8路节目 每个卫星装有16 32个转发器 这样一颗卫星就可以直播100多路电视信号 这种业务也称作卫星数字电视直播 27 从电视录播到电视直播 在电视诞生之初 由于录像技术还没有出现 电视节目都是以直播的方式 在摄取图像 声音的同时进行广播 传播出去的 像我国第一部电视剧 一口菜饼子 电视直播的特点是制作和广播这两个过程同步进行 因此 现场性 即兴性 观众参与性都十分明显 28 录像技术的产生和成熟使电视录播成为一种普遍的节目制作方式 电视节目制作的方式也日趋多样化 第一种是ENG方式 也就是使用便携式摄像 录像设备来采集电视新闻 第二种EFP方式 称为电子现场制作 第三种是ESP方式 主要是指演播室录像制作 各种录像制作方式使得电视节目的制作更加得心应手 也产生了很多电视剧 电视专题 电视纪录片等精品 这都得益于录像制作的一整套创作方式 29 随着电视制作技术的不断发展和新的数字设备广泛应用 电视直播越来越显示出新的魅力 电视直播可以分为现场直播和演播室直播两种形式 现场实况直播常用作电视新闻报道 如对一些突发事件的目击报道等 实况直播的方式还大量运用在演播室节目中 目前 世界上大多数电视台的新闻节目 访谈节目 教育节目和综艺节目 例如我国中央电视台的 综艺大观 和节日晚会等 都采用这种形式 电视直播的形式大大增强了电视节目的时效性 30 除了电视录播和电视直播之外 电视转播也是电视节目的一种播出方式 电视转播包括两种方式 一是电视台在自己的节目时间内播出其他台的节目 可以同步播出 也可以录像播出 例如 大部分地方台每天晚上七点都会播出中央电视台的 新闻联播 节目 另一种方式是有的地区距当地电视台距离较远 本身没有制作节目的职权和能力 利用高山或高塔架设天线 设立广播电视信号发射台 差转台 把收到的指定电视台的电视节目信号放大并转发出去 从而扩大节目的覆盖面 31 从模拟电视到数字电视 电视在经历了从黑白到彩色的第一次变革后 并没有停止发展的脚步 目前在全球范围内正经历着从模拟电视到数字电视的第二次革命 所谓数字电视指从电视节目采集 制作 存储 播出到发射 传输 接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视系统 由此可见 数字电视不仅仅指我们日常所用的电视机 数字电视机只是数字电视的终端接收设备 32 从模拟电视到数字电视的迁移 不仅仅是模拟方式到数字方式的变化 还意味着新的功能 新的服务和更好的性能 就像移动通信的数字化不仅使通话更清晰 还催生了短信服务 多媒体服务一样 在数字电视这个平台上 个性化 互动性的服务不断涌现 进而成为一个综合性的多媒体家庭信息服务平台 包括单向数字电视广播 单向数据应用 如软件在线升级 数据广播 股票信息广播等 交互式多媒体应用 如视频点播 电视会议 电视商务等 使观看者变成使用者 33 在我国 广电主管部门为数字电视的发展制定了明确的时间表 2005年 卫星传输全部实现数字化 有线电视网及省级以上台基本实现数字化 全国将有四分之一左右的电视台发射和传输数字电视信号 2010年 广播影视节目制作 播出以及卫星 有线传输实现数字化 地面电视基本实现数字化 数字电视接收机得到普及 2015年将停止模拟电视的播出 全面实现数字化 根据广电总局的相关文件 我国实现从模拟电视到数字电视的转换主要途径有两种 一是有线电视数字化 二是数字直播卫星 其中以有线电视数字化为主要发展方向 34 交互电视的出现 交互电视是电视数字化和网络化的产物 在西方国家已经是一种较为普及的电视收看方式 交互电视完全改变了电视观众被动接受的模式 它可以与观众进行双向交流 使观众主动地 带选择性的获取各种信息 包括电视节目 这时 观众 变成了 用户 35 安装了机顶盒的电视用户可以利用遥控器 红外遥控键盘等手段操控普通电视机 也可以用数字电视机代替机顶盒 普通电视机作为终端 在观看电视节目的同时 上传自己的要求 选择电视台提供的相关内容和服务 参与到节目中去 36 首先 交互电视可以提供与正在播出的节目有关的各种资料 包括背景材料的增值服务 如体育运动的各种统计资料 新闻的背景材料等 甚至为那些电视连续剧迷们偶尔错过一集而设置的 上集情节提要 之类 英国天空数字电视台在足球直播现场架有多台摄像机 每一位观众可随意选择不同机位摄像机拍摄的不同角度图像 37 其次 交互电视可以扩展到家庭购物 双向电视游戏 视频点播 电视会议 远程教学与培训等多个领域 再次 用户在享受电视服务的同时又可以上网 同其他观众一起玩游戏 获取信息 网上购物 发送邮件等 还可以进行银行 证券 远程教育等方面的活动 38 数字高清电视技术的成熟 传统的彩色电视播建立在黑白电视基础之上 为了能与黑白电视制式兼容采用了很多技术 尽管这些措施解决了兼容性问题 但同时也带来了很多弊端 如亮度信号和色度信号之间相互串扰等等 随着电视的普及和观众欣赏要求的不断提高 传统彩色电视所提供的图像质量已无法满足人们的要求 人们希望电视图像的质量能够接近35mm胶片的影像质量 针对这一目标 各国开始了新一代电视的研究 这就是高清晰度电视HDTV 39 高清晰度电视的发展历史可分为两个阶段 模拟高清晰度电视和数字高清晰度电视 目前所说的高清电视一般指 数字高清晰度电视 40 发展迅速的电视摄像机技术和日新月异的电视录像技术摄像机技术的发展只有几十年的历史 但变化之快令人瞠目 摄像机有几个明显的技术发展阶段 黑白摄像机 单管彩色摄像机 三管彩色摄像机 CCD摄像机 数字摄像机 数字高清晰度摄像机 41 电视录像技术的应用晚于摄像机技术 但发展速度很快 录像格式层出不穷 但基本是沿着从模拟信号记录到数字信号记录的道路前进的 42 电视机的发展变化 1928年 第五届德国广播博览会 在柏林隆重开幕 其中最引人注目的新发明 电视机 第一次作为公开产品出现在人们的面前 从此 人们的生活进入了一个神奇的世界 43 50年代法国的电视机 44 最早的电视机是采用尼普可夫圆盘的机械电视机 但显示的图像相当粗糙 图像模糊不清 无法再现精细的画面 机械电视的这一致命弱点困扰着人们 人们试图寻找一种能同时提高电视的灵敏度和清晰度的新方法 于是 使用阴极射线管 简称CRT 的电子电视机应运而生 45 随着彩色电视技术的出现 彩色CRT电视机进入市场 随后 电视机技术获得了惊人的发展 从电子管电视机 晶体管电视机迅速发展到集成电路电视机 电视家族迅速兴旺发达起来 电视机的数量急剧增长 46 随着技术的发展和市场需求的提高 电子电视机也暴露出自身的弱点 这就是整机厚度较大 CRT电视机用接收到的电视信号控制阴极射线管的电子枪 发射出相应强度的电子束 电子束撞击荧光屏就会发光 但是CRT的电子枪和荧光屏之间必须有足够长的距离供电子束偏转 而且屏幕尺寸越大 这个距离要求就越长 显象管的厚度越大 为了解决这一问题 平板显示器被研发出来 这类显示器件在进行电光转换时不需要电子束的参与 因而也就没有电子枪 整机结构很薄 像一个平板 因而得名 目前常用的平板显示器有液晶显示器 LCD 和等离子显示器 PDP 47 广播电视技术的迅猛发展迎来了数字电视时代 作为电视节目接收终端的电视机也开始利用数字技术 数字电视机分为数字化电视机和全数字电视机两种 数字化电视机接收的图像 伴音信号仍然是模拟信号 只是利用了一些数字技术改进和提高图像及伴音质量 并增加一些功能 还不是真正意义上的数字电视机 而全数字电视机接收和处理的图像 伴音信号都是数字信号 48 随着社会的发展 普通电视的显示效果已逐渐不能满足人们的要求 高清晰度电视机出现了 高清晰度电视机的图像清晰度在水平和垂直方向均为普通电视机的2倍以上 所以信号还原效果好 16 9的画面宽高比也比普通电视更符合人眼的视觉特性 目前 伴随着微电子和数字技术的突飞猛进 电视正在向智能化 多功能和多用途化迈进 49 电视采编设备的全面数字化 全数字电视是指整个电视系统的数字化 即数字化制作 数字化发射 数字化传输和数字化接收 从上世纪70年代开始 广播电视领域开始向数字化过渡 目前全数字电视广播标准已建立 如欧洲的DVB系统 美国的ATSC系统 日本的ISDB系统 我