第二章光电转换及电视信号

1、 第二章第二章 光电转换与电视信号光电转换与电视信号电影：电影： 电影和电视的相同点都是用来显示活动图象，它是根据人眼的视觉惰性，在一秒中内连续放映24幅图象从而产生图象活动的感觉。 对电视系统来说，关键的问题是如何将景象或图象变成电信号以及在接收端再复原成图象并且活动起来。为了便于理解电视的基本原理，我们不妨从三个已成熟且较简单的事物入手来分析，着就是电影、传真和无线电语音广播。 如上图,视觉暂留时间约0.1s，所以当f10帧/秒时，感觉出活动感，但这时有跳动感，要实现连续感则f24帧/秒；这时图象仍有闪烁感，为消除闪烁感，则需要f46帧/秒。 结论：显示活动图象应有结论：显示活动图象应有f

2、24帧帧/秒。秒。 传真：传真： 传真与电视的共同点都是传送（静止）传真与电视的共同点都是传送（静止）图象和文字的。其传送过程是：将图象分解图象和文字的。其传送过程是：将图象分解成像素成像素变成电信号变成电信号通过机械扫描将像素通过机械扫描将像素恢复合成图象。恢复合成图象。 结论：结论：传送图象通过传送像素来实现。传送图象通过传送像素来实现。无线电广播：无线电广播： 无线电广播与电视的共同点都是远距离传送电信号，无线电广播与电视的共同点都是远距离传送电信号，其工作过程是将声音转换成电信号其工作过程是将声音转换成电信号放大后调制载波发送放大后调制载波发送出去出去接收机收到电信号后通过信号处理还原

3、成原来的声接收机收到电信号后通过信号处理还原成原来的声音信号，即：声音信号，即：声电电声声. 结论：结论：远距离传送电信号通过载波调制方式来实现。远距离传送电信号通过载波调制方式来实现。 受以上三方面启发，在电视发送端将图象分解成许受以上三方面启发，在电视发送端将图象分解成许许多多的像素（约许多多的像素（约40万个）万个）将亮度转换成电信号（图象将亮度转换成电信号（图象信号）信号）载波调制发射载波调制发射信号接收处理信号接收处理像素合成；而且像素合成；而且为保证图象活动的连续性，为保证图象活动的连续性，f24帧帧/秒，这样在一秒钟内将秒，这样在一秒钟内将有有24 40万像素，只能采用电子扫描的

4、方式来进行。万像素，只能采用电子扫描的方式来进行。 2.1电视传像原理电视传像原理2.1.1顺序传送原理顺序传送原理1. 图象的表示图象的表示 根据三基色原理，彩色光需要用三个基本参量来描述，即亮度根据三基色原理，彩色光需要用三个基本参量来描述，即亮度L(Lightness)、色调、色调H(Hue)和饱和度和饱和度S(Saturation),此外景物的形状需用空间坐此外景物的形状需用空间坐标标x、y、z表示，并且若是活动图象还是时间表示，并且若是活动图象还是时间t的函数，即的函数，即L、H、S都是四维函都是四维函数，因此任何图象都可用下列方程组表示：数，因此任何图象都可用下列方程组表示： L=

5、fL(x,y,z,t) H=fH(x,y,z,t) S=fS(x,y,z,t)若传送的是二维图象，则变为：若传送的是二维图象，则变为： L=fL(x,y,t) H=fH(x,y,t) S=fS(x,y,t)讨论最简单的黑白图象，则只有亮度方程：讨论最简单的黑白图象，则只有亮度方程： L=fL(x,y,t)2.图像分解与顺序传送图像分解与顺序传送 方法：同时传送（并行）方法：同时传送（并行） 顺序传送（串行）顺序传送（串行）实现顺序传送需实现顺序传送需解决三个问题：解决三个问题： (1)图像图像像像素素电信号电信号 (2)电信号电信号图像图像 (3)同步同步2.1.2图像摄取与重现图像摄取与重现

6、2.1.2.1图像摄取图像摄取光图像光图像电信号电信号光电效应：光敏材料的电阻率随光照的强弱而不同，光电效应：光敏材料的电阻率随光照的强弱而不同，这种现象叫光电效应。利用光电效应即可实现光电转这种现象叫光电效应。利用光电效应即可实现光电转换。换。光电转换：利用光电效应将光图像转换为电信号的光电转换：利用光电效应将光图像转换为电信号的过程。光电转换在摄像管中实现。过程。光电转换在摄像管中实现。摄像管：由镜头、光敏靶、偏转系统和电子枪组成，摄像管：由镜头、光敏靶、偏转系统和电子枪组成，具体结构如图。具体结构如图。定义：与图象定义：与图象像素亮度成比像素亮度成比例的电信号称例的电信号称为图象信号。为

7、图象信号。 根据光电转换电路结构的不同，产生的图像信根据光电转换电路结构的不同，产生的图像信号有两种：若信号电平与图像像素的亮度成正比号有两种：若信号电平与图像像素的亮度成正比U(L) L或或U(L) =kL，这种图像信号称为，这种图像信号称为正极性图像正极性图像信号信号；反之，如果信号电平的大小与图像的亮度成；反之，如果信号电平的大小与图像的亮度成反比反比 U(L) 1/L或或U(L) =k/L，则这种图像信号称为，则这种图像信号称为负负极性图像信号极性图像信号。今后若不特别说明则指负极性信号。今后若不特别说明则指负极性信号。我国电视标准规定发射时采用负极性图像信号。我国电视标准规定发射时采

8、用负极性图像信号。2.2电视扫描原理电视扫描原理 如前所述，电视图像的摄取与重现是基于光和电的相互如前所述，电视图像的摄取与重现是基于光和电的相互转换，然而，把空间的光图像变成随时间变化的电信号，以及转换，然而，把空间的光图像变成随时间变化的电信号，以及把随时间变化的电信号再转换成一幅平面图像，则是通过电子把随时间变化的电信号再转换成一幅平面图像，则是通过电子扫描完成的。下面以显像管为例介绍电视扫描的原理。扫描完成的。下面以显像管为例介绍电视扫描的原理。 按电子的运动规则可分为直线扫描和非直线扫描（如圆扫按电子的运动规则可分为直线扫描和非直线扫描（如圆扫描、螺旋扫描等。见天津大学编教材）。在电

9、视系统中采用匀描、螺旋扫描等。见天津大学编教材）。在电视系统中采用匀速直线扫描方式。速直线扫描方式。 直线扫描按扫描行的次序又分为直线扫描按扫描行的次序又分为逐行扫描逐行扫描和和隔行扫描隔行扫描。2.2.1 逐行扫描逐行扫描定义：一行挨一行的扫描方式称为逐行扫描定义：一行挨一行的扫描方式称为逐行扫描。 为使电子束作匀速直线扫描，在水平（行）与垂直（场）偏转线圈加为使电子束作匀速直线扫描，在水平（行）与垂直（场）偏转线圈加入的都是锯齿波电流，如下图。入的都是锯齿波电流，如下图。A. iH 0 , iV = 0 当只有行锯齿电流流过行偏转线圈时当只有行锯齿电流流过行偏转线圈时,电子束将在水平方向上

10、受到偏转电子束将在水平方向上受到偏转力，产生水平方向的扫描，称为行扫描。这时在屏幕中间显示一条水平亮力，产生水平方向的扫描，称为行扫描。这时在屏幕中间显示一条水平亮线。线。 电子束从左到右的扫描称为电子束从左到右的扫描称为行扫描正程行扫描正程，用，用THt表示。表示。 电子束从右快速返回到左的扫描称为电子束从右快速返回到左的扫描称为行扫描逆程行扫描逆程，用，用THr表示。正程表示。正程用来显示图像，而逆程仅仅是为了返回左端开始下一行的重复扫描，故一用来显示图像，而逆程仅仅是为了返回左端开始下一行的重复扫描，故一般有般有THr THt ,来回扫描一行的时间称为一个来回扫描一行的时间称为一个行周期

11、行周期，用，用TH表示，表示， TH = THt + THr 。fH =1/TH B. iV 0 , iH = 0 若只有场锯齿电流流过场偏转线圈时若只有场锯齿电流流过场偏转线圈时,电子束将在垂直方向上受到偏转力，电子束将在垂直方向上受到偏转力，产生垂直方向的扫描，称为产生垂直方向的扫描，称为场扫描场扫描。这时在屏幕中间显示一条垂直亮线。这时在屏幕中间显示一条垂直亮线。 电子束从上到下的扫描称为场扫描正程，用电子束从上到下的扫描称为场扫描正程，用T V t 表示。表示。 电子束从下快速返回顶端的扫描称为场扫描逆程，用电子束从下快速返回顶端的扫描称为场扫描逆程，用T V r 表示。正程用表示。正

12、程用来显示图像，而逆程仅仅是为了返回顶端开始下一场的重复扫描，故一般有来显示图像，而逆程仅仅是为了返回顶端开始下一场的重复扫描，故一般有T V r T V t 来回扫描一场的时间称为一个场周期，用来回扫描一场的时间称为一个场周期，用TV 表示，表示， TV = T V r + T V t 。fV =1/ TV .C. iV 0 , iH 0，即同时加有行场扫描电流。，即同时加有行场扫描电流。 由于由于fH fV (即即TH TV )，因此电子在作快速水平运动的同时还作垂，因此电子在作快速水平运动的同时还作垂直方向运动，在屏幕上出现的是稍微倾斜的直线光栅。直方向运动，在屏幕上出现的是稍微倾斜的直

13、线光栅。 可以想象，如果一场中扫描行数很多，则光栅的倾斜度就会减小可以想象，如果一场中扫描行数很多，则光栅的倾斜度就会减小，甚至甚至看不出倾斜，而被近似认为是水平直线光栅。看不出倾斜，而被近似认为是水平直线光栅。 为使图像清晰而均匀，在逆程期不传送信号，所采取的措施为使图像清晰而均匀，在逆程期不传送信号，所采取的措施是在逆程期使电子束是在逆程期使电子束截止截止，使之不显示光线（称，使之不显示光线（称消隐消隐），因），因此为获得有效光栅，必须使此为获得有效光栅，必须使 TH r T H t ，T V r T V t 。 一般规定：一般规定： = TH r /TH , 称为行扫描逆程系数，称为行扫

14、描逆程系数，一般在一般在18%左右；左右； = T V r / T V ， 称为场扫描逆程系数，称为场扫描逆程系数，一般在一般在8%左右。左右。E. 在逐行扫描方式中，为保证光栅稳定清晰，应使每场的光在逐行扫描方式中，为保证光栅稳定清晰，应使每场的光栅互相重叠，设扫描行数用栅互相重叠，设扫描行数用Z表示，则表示，则TV =Z TH ，即为整数，即为整数倍关系，而且行数越多，图像越清晰，当行数足够多时，人倍关系，而且行数越多，图像越清晰，当行数足够多时，人眼将分辨不出行结构，只能看到均匀发光的面。眼将分辨不出行结构，只能看到均匀发光的面。 2.2.2 隔行扫描隔行扫描 逐行扫描解决了图像的顺序传

15、送与接收，但为不产生闪烁感及保证清逐行扫描解决了图像的顺序传送与接收，但为不产生闪烁感及保证清晰，要求晰，要求fV 46Hz，Z 500。这样出现的问题是图像信号的频带很宽，从。这样出现的问题是图像信号的频带很宽，从而造成设备复杂化，那么能否在既不引起闪烁又不导致清晰度下降的情况而造成设备复杂化，那么能否在既不引起闪烁又不导致清晰度下降的情况下使频带减小呢？为此借用电影的显示原理，采用隔行扫描的方式，每秒下使频带减小呢？为此借用电影的显示原理，采用隔行扫描的方式，每秒钟送钟送25幅图像，每幅画面分两场扫描，这样人眼在主观感觉上与每秒出现幅图像，每幅画面分两场扫描，这样人眼在主观感觉上与每秒出现

16、50幅图像相同。幅图像相同。 隔行扫描定义：隔行扫描定义：将整个光栅分奇偶行进行两次扫描，先将整个光栅分奇偶行进行两次扫描，先从上到下扫从上到下扫1、3、5、奇数行，形成奇次场；然后再从上奇数行，形成奇次场；然后再从上到下扫到下扫2、4、6、偶数行，形成偶次场，两场光栅互相嵌偶数行，形成偶次场，两场光栅互相嵌套、均匀镶嵌，共同构成一幅完整的光栅，这种扫描方式叫套、均匀镶嵌，共同构成一幅完整的光栅，这种扫描方式叫做隔行扫描。因为两场合在一起的总行数不变，故清晰度未做隔行扫描。因为两场合在一起的总行数不变，故清晰度未减，且送减，且送50场，也无闪烁感。场，也无闪烁感。 下面以下面以7线光栅为例说明

17、隔行扫描的原理和过程。线光栅为例说明隔行扫描的原理和过程。1为简单，先假设行场逆程时间都为零。为简单，先假设行场逆程时间都为零。 如下所示，隔行扫描要求一帧的扫描行数为奇数行，这样才能保证每场皆有半行，从而使两场光栅均匀镶嵌。隔隔行行扫扫描描2行场逆程皆不为零，并设行场逆程皆不为零，并设T V r = TH由图可见，当考虑到逆由图可见，当考虑到逆程时间后：程时间后：（1）.第一场的结束和第一场的结束和第二场的起点并不在行第二场的起点并不在行的中心（为什么？）的中心（为什么？）（2）.场逆程占有一行场逆程占有一行时间，因此每帧有两行时间，因此每帧有两行用于回扫，帧扫光栅只用于回扫，帧扫光栅只有有

18、5行。行。（3）.每场都包含有半每场都包含有半行。行。综上所述，隔行扫描应满足的要求可归纳为两条：（1）.对于每一帧，扫描的起点应相同，以保证各帧光栅的重叠，这就要求每帧的扫描行数为整数。（2）.相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度，只有每场都包含半行才能做到这一点，因此每帧必须是奇数行。 故：Z= 2n +1隔行扫描存在的缺点隔行扫描存在的缺点A行间闪烁效应：因为行间闪烁效应：因为fV =50Hz, 而每一行的亮度却是按帧频重而每一行的亮度却是按帧频重复的，即每秒出现复的，即每秒出现25次，低于临界闪烁频率，所以当我们观看较次，低于临界闪烁频率，所以当我们观看较亮的细线时，会有闪烁

19、感。亮的细线时，会有闪烁感。B并行现象：在隔行扫描中，要求行场扫描频率之间保持严格并行现象：在隔行扫描中，要求行场扫描频率之间保持严格关系，否则两场光栅不能均匀镶嵌，严重时甚至会重叠在一起，关系，否则两场光栅不能均匀镶嵌，严重时甚至会重叠在一起，这就是并行现象，它将使清晰度下降；另外对扫描电流幅度和线这就是并行现象，它将使清晰度下降；另外对扫描电流幅度和线性都有较高要求，否则都是引起并行现象的因素。性都有较高要求，否则都是引起并行现象的因素。C. “锯齿化锯齿化”现象：当物体的水平速度足够大时，物体垂直边缘现象：当物体的水平速度足够大时，物体垂直边缘因隔行分场传输，会发生在相邻场光栅中左右错开

20、的因隔行分场传输，会发生在相邻场光栅中左右错开的“锯齿化锯齿化”现象，隔行越多，错开程度越严重。现象，隔行越多，错开程度越严重。 实验研究表明，在扫描行数相同情况下，实验研究表明，在扫描行数相同情况下，2:1隔行扫描的视在隔行扫描的视在垂直分解力相当于乘上一个垂直分解力相当于乘上一个隔行因子隔行因子Ki(0.6.07) 2.3 2.3 电视图像基本参量电视图像基本参量 为获得高质量的图像为获得高质量的图像, ,就应使重显就应使重显图像图像的特征尽可能的特征尽可能与原与原图像图像一致一致, ,衡量电视衡量电视图像图像的基本特征有以下几个方面的基本特征有以下几个方面: : 图像图像的几何特征的几何

21、特征 图像图像的亮度与对比度层次的亮度与对比度层次 图像清晰度图像清晰度 图像的连续性和无闪烁感图像的连续性和无闪烁感( (包括场间闪烁与行间闪烁包括场间闪烁与行间闪烁) ) 图像的色度图像的色度 根据对这些特征的要求根据对这些特征的要求, ,由此确定了电视系统的一系由此确定了电视系统的一系列指标和标准列指标和标准, ,如扫描参数、频带、各种非线性失真系数如扫描参数、频带、各种非线性失真系数的确定的确定. .一、图像的几何特征一、图像的几何特征 所谓所谓几何特征几何特征即图像各部分的比例关系是否合适即图像各部分的比例关系是否合适,以及容许以及容许的失真程度。的失真程度。 .根据人眼的视觉特性根

22、据人眼的视觉特性,视觉最清楚的范围是垂直夹角视觉最清楚的范围是垂直夹角15 、水平夹角水平夹角20 的一个矩形区域的一个矩形区域,由这一特点由这一特点,目前各国电视接收机的目前各国电视接收机的屏幕皆采用矩形屏幕皆采用矩形,且宽高比且宽高比K=4:3(宽高比称为电视屏幕的幅型比宽高比称为电视屏幕的幅型比,一一般用般用K表示表示)。 增大屏幕尺寸增大屏幕尺寸(大屏幕大屏幕)和视角可以改善临场感和真实感。和视角可以改善临场感和真实感。 .收发两端的收发两端的K应相同。应相同。 矩形屏幕的大小常用对角线表示矩形屏幕的大小常用对角线表示,如如23cm、47cm、54cm等等, 若收发两端幅型比若收发两端

23、幅型比K不同不同,则重显图像就有可能失真则重显图像就有可能失真(如压扁或拉长如压扁或拉长等等)。 .扫描电流的非线性程度影响图像的几何相似性。由于直线扫描电流的非线性程度影响图像的几何相似性。由于直线扫描应是匀速直线性扫描应是匀速直线性,扫描线性不好将引起几何失真。通常采用棋扫描线性不好将引起几何失真。通常采用棋盘格信号进行测试盘格信号进行测试,如下图。如下图。图图(a)是行场线性良好时的标准是行场线性良好时的标准图案图案,图图(b)表示因表示因iH线性不好而线性不好而造成的畸变造成的畸变(开始扫描快开始扫描快,然后变然后变慢慢);图图(c)表示因表示因iV线性破坏而造线性破坏而造成的失真成的

24、失真. 一般用扫描非线性系数一般用扫描非线性系数 来衡来衡量非线性畸变的程度量非线性畸变的程度,设没有畸设没有畸变时变时 =0,图像由许多大小相等图像由许多大小相等的方格组成的方格组成;有非线性时有非线性时, 0,将将产生大小不等的格子产生大小不等的格子,为此作如为此作如下定义下定义: =(dmax-dmin)/(dmax+dmin)/2 =(hmax-hmin)/(hmax+hmin)/2实验表明实验表明,当当 10%时时,不感不感到有严重失真到有严重失真,若若 5%,则感觉则感觉不到有非线性失真。不到有非线性失真。由偏转系统或杂散磁场等因素而引起的各种图形畸变称为由偏转系统或杂散磁场等因素

25、而引起的各种图形畸变称为几何畸变几何畸变. .图图(d)为为枕形畸变枕形畸变。图图(e)为为桶形畸变桶形畸变(或鼓形畸变或鼓形畸变)。几何畸变用几何畸变系数几何畸变用几何畸变系数D衡量。衡量。DgH=Q/Q DgV=G/G通常要求通常要求Dg100nit。 对比度对比度:图像图像最亮处的亮度最亮处的亮度Bmax与最暗处的亮度与最暗处的亮度Bmin之比叫之比叫做对比度，即对比度做对比度，即对比度C=Bmax/Bmin，一般一般C能达到能达到30 40就很满意就很满意了。对比度除了与电视本身有关外了。对比度除了与电视本身有关外,还与观看条件有关还与观看条件有关,若有杂散若有杂散光线照射光线照射,则

26、对比度则对比度C=(Bmax+B)/(Bmin+B),这时对比度就会下降。这时对比度就会下降。 因为因为图像图像由亮度不同的像素组成由亮度不同的像素组成,对比度越大对比度越大,从最亮到最暗从最亮到最暗处能分辨的亮度级数就多处能分辨的亮度级数就多,就越能看清就越能看清图像图像层次层次,图像图像就越清晰和就越清晰和逼真。逼真。三、清晰度与分解力三、清晰度与分解力. 图像清晰度是指人眼主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度，它与电视系统传送图像细节的能力有关，这种能力称为分解力或分辨力。 定义定义:电视系统传送图像细节的能力电视系统传送图像细节的能力,称为电视系统的称为电视系统的分解力。分解力。 显然扫

27、描行数越多显然扫描行数越多,分解成的像素数就越多分解成的像素数就越多,图像细节就图像细节就呈现得越清楚呈现得越清楚,主观感觉到的清晰度就越高主观感觉到的清晰度就越高,因此可以说扫描因此可以说扫描行数决定分解力。行数决定分解力。 像素数像素数=行数行数行元数行元数(一行内的像素数一行内的像素数) 故可以将分解力分为垂直分解力与水平分解力分别讨故可以将分解力分为垂直分解力与水平分解力分别讨论。论。1.垂直分解力垂直分解力定义定义:沿图像垂直方向所能分解的像素数沿图像垂直方向所能分解的像素数(或黑白相间的条纹数或黑白相间的条纹数)。 用用M表示垂直分解力表示垂直分解力,可见它受行数限制可见它受行数限

28、制,但但MZ,因为分解图像时因为分解图像时,并非每一行都有并非每一行都有效。它的含意有两个效。它的含意有两个: a.在扫描逆程期内在扫描逆程期内,被消隐的行数不分解图像被消隐的行数不分解图像,故故有效行数有效行数为为Z(1-)。 b.由于像素与扫描线的相对位置不同由于像素与扫描线的相对位置不同,并非每一有效行都代表垂直分解力。并非每一有效行都代表垂直分解力。详见下图。详见下图。 图图(a)示黑白条恰好与扫描线重合示黑白条恰好与扫描线重合,相邻两行信号完全不同相邻两行信号完全不同,重现图像保持原重现图像保持原来分辨率来分辨率,这时为这时为最佳最佳,M=Z(1-)； 图图(b)示扫描线恰好覆盖黑白

29、条各一半示扫描线恰好覆盖黑白条各一半,则各行信号皆相同则各行信号皆相同(平均值平均值),重现重现图像图像为一灰带为一灰带,完全失去细节完全失去细节,即即失去垂直分解力失去垂直分解力,我们可以说这时其我们可以说这时其M=0； 图图(c)示减少一半条纹示减少一半条纹,则又能重现黑白条纹图像则又能重现黑白条纹图像,但这时垂直分解力只有有但这时垂直分解力只有有效行数的一半效行数的一半,即即M=0.5 Z(1-)。 实际的图像内容具有随机性实际的图像内容具有随机性,所以所以M介于介于Z(1-)与与0.5 Z(1-)之之间间,此时我们令此时我们令: M=k1 (1-) Z式中式中0 k11(可取可取k1=

30、0.7)。2.水平分解力水平分解力 定义定义: 沿图像水平方向所能分解的像素数沿图像水平方向所能分解的像素数(或黑白相间的条或黑白相间的条纹数纹数)。通常用。通常用N表示水平分解力。表示水平分解力。实验证明,水平分解力等于垂直分解力是最佳情况,又由于K=4:3,故水平分解力是:Z1k34M34N13.图像信号的最高频率 任何图像都有一定背景亮度，故图像信号的最低频率为0。 图像的最高频率可推导如下：我国广播电视标准： fV =50Hz Z=625 =18% =8% k1 (1- ) 0.7,则视频信号最高频率: f=fmax5.6MHz留取一定的余量,视频带宽取6MHz2max1141ZfKK

31、fve4. 扫描行数扫描行数Z的确定。的确定。 由上述由上述,图像的清晰度、图像信号的带宽皆与图像的清晰度、图像信号的带宽皆与Z有关有关,但二者矛盾但二者矛盾,因为因为: ZMN清晰度增加清晰度增加 ZZ2fmax设备复杂设备复杂 究竟如何确定究竟如何确定Z,一般按人眼的分辨能力来确定一般按人眼的分辨能力来确定,因为虽然因为虽然Z可使图像清晰可使图像清晰,但当行数传送超过人眼分辨力极限时已无意义但当行数传送超过人眼分辨力极限时已无意义,故故下面我们以人眼分辨力来确定最佳扫描行数。下面我们以人眼分辨力来确定最佳扫描行数。 根据人眼最小分辨角根据人眼最小分辨角=3438h/DM (h为图为图像高度

32、，像高度，D为观看距为观看距离，离，M为垂直分解力，为垂直分解力，h/M=d),当当=1.5，D/h=4时，可解出时，可解出Mmax=3438h/D=573,代代入入M=Ke(1-)Z,得：得：Zmax=819如图示如图示,Z500行行后后,上升减慢上升减慢,但因但因fmaxZ2,故导致故导致f 急剧扩急剧扩大大,兼顾二者兼顾二者,一般一般Z(500,600),我国取我国取Z=625。这时这时:M=0.71Z450线；线； N=4M/3=600线；线； f H =Z f F =62525=15625Hz2.4 复合视频图像信号复合视频图像信号(全电视信号全电视信号)一、全电视信号的组成一、全电

33、视信号的组成. 由前述我们知道由前述我们知道,经电子扫描经电子扫描,光电转换过程可以将光像光电转换过程可以将光像电像电像,即形成图像信号即形成图像信号,但但这样的信号还不能用来在接收机处重现稳定的图像这样的信号还不能用来在接收机处重现稳定的图像,原因有二原因有二:.图像信号中没有能保证收发两端扫描同步的信号图像信号中没有能保证收发两端扫描同步的信号,结果可能造成重现的图像结果可能造成重现的图像不稳不稳(如滚动如滚动)和严重失真和严重失真(如左右、上下撕裂等如左右、上下撕裂等)。 温度变化、电源电压波动及传输差异都会造成不同步发生。温度变化、电源电压波动及传输差异都会造成不同步发生。.回扫线出现

34、使图像清晰度下降。回扫线出现使图像清晰度下降。 因为只有在行、场扫描正程期间传送图像信号因为只有在行、场扫描正程期间传送图像信号,逆程期不传送信号逆程期不传送信号,为此就为此就应想办法消除回扫线。应想办法消除回扫线。解决办法解决办法:.加入行、场同步信号加入行、场同步信号(脉冲脉冲)；.逆程加入行、场消隐信号逆程加入行、场消隐信号(脉冲脉冲)。综上所述综上所述,复合视频图像信号由以下几部分组成复合视频图像信号由以下几部分组成:.图像信号；图像信号；.水平消隐脉冲和水平同步脉冲；水平消隐脉冲和水平同步脉冲；. 场消隐脉冲和场同步脉冲。场消隐脉冲和场同步脉冲。1.图像信号图像信号. 这是反映图像内

35、容的电信号这是反映图像内容的电信号,电平的高低反映电平的高低反映图像像素的明暗情况图像像素的明暗情况,在行正程期间传送。在行正程期间传送。 作用作用:控制显像管中射到荧光屏电子束的强弱，控制显像管中射到荧光屏电子束的强弱，通常加到通常加到CRT的阴极。的阴极。 在电视机中在电视机中,加到显像管阴极的是负极性图像加到显像管阴极的是负极性图像信号。对图像信号电平的规定是信号。对图像信号电平的规定是:若电平最大值若电平最大值是是1,则白色电平幅度为则白色电平幅度为12.5%; 黑色电平幅度为黑色电平幅度为75%; 灰色电平幅度为灰色电平幅度为12.5% 75%;2.复合消隐信号。复合消隐信号。复合消

36、隐信号包含行消隐和场消隐复合消隐信号包含行消隐和场消隐两个信号。两个信号。行消隐信号在行逆程期间传行消隐信号在行逆程期间传送送,时间为时间为12 s,每行每行 一个一个,其幅度与黑电平相同。其幅度与黑电平相同。作用作用:控制电子枪在行逆程期控制电子枪在行逆程期不发射电子不发射电子,从而消除回扫从而消除回扫线。线。同理同理, 场消隐脉冲在场逆程期场消隐脉冲在场逆程期间传送间传送,脉宽为脉宽为1612 s,一一场一个场一个,其幅度与黑电平相其幅度与黑电平相同。同。场消隐脉冲的作用是消除场场消隐脉冲的作用是消除场逆程期间的回扫线。逆程期间的回扫线。3.复合同步信号。复合同步信号。.同步信号的作用同步

37、信号的作用:所谓同步所谓同步,即保持收即保持收发两端的扫描步调一致发两端的扫描步调一致,它包含两层意思它包含两层意思: 接收端的行、场扫描频率与发接收端的行、场扫描频率与发送端相同送端相同,此即此即同频同频。 接收端行、场扫描的起始时刻接收端行、场扫描的起始时刻与发送端一致与发送端一致,此即此即同相同相。 同步信号只起同步作用同步信号只起同步作用,不应在屏不应在屏幕上显示出来幕上显示出来,所以同步信号是在消隐期所以同步信号是在消隐期间送出的间送出的,即叠加在消隐电平上即叠加在消隐电平上,这样对这样对图像信号无影响图像信号无影响,因此同步信号应在逆程因此同步信号应在逆程期传送。期传送。.行同步信

38、号行同步信号:行同步信号的作用是控制行扫信号行同步信号的作用是控制行扫信号的频率和相位的频率和相位,在行消隐期间发送在行消隐期间发送;其其上升沿上升沿控制控制扫描的扫描的回扫起点回扫起点,即表示行正程的结束和行逆程即表示行正程的结束和行逆程的开始的开始,接收机收到该信号即回扫。接收机收到该信号即回扫。 为了与行消隐相区别为了与行消隐相区别,行同步的电平比消隐行同步的电平比消隐电平高电平高25%(比黑还黑比黑还黑,这样对图像无影响这样对图像无影响),脉冲脉冲宽度为宽度为4.7 s,比消隐前沿延迟比消隐前沿延迟1.3 s(缓冲前肩缓冲前肩)。 综上所述综上所述,归纳如下几点归纳如下几点: a.行同

39、步在行消隐期间传送行同步在行消隐期间传送,脉宽脉宽4.7 s,幅度比幅度比消隐高消隐高25%(100%),是电视信号中最高的幅度。是电视信号中最高的幅度。 b.行同步脉冲前沿距行消隐前沿行同步脉冲前沿距行消隐前沿1.3 s(前肩前肩)。 c.行同步的上升沿控制回扫的起点。行同步的上升沿控制回扫的起点。.场同步信号。场同步信号。与行同步类似与行同步类似,归纳以下几点归纳以下几点: a.场同步在每一场的场消隐期间传送场同步在每一场的场消隐期间传送,脉宽脉宽2.5H或或160 s,幅度比消隐高幅度比消隐高25%(100%),与行同步信与行同步信号幅度相同。号幅度相同。 b.场同步脉冲前沿距场消隐前沿

40、场同步脉冲前沿距场消隐前沿2.5H(前肩前肩)。 c.场同步的上升沿代表场回扫的起点。场同步的上升沿代表场回扫的起点。二、场同步开槽脉冲与均衡脉冲。二、场同步开槽脉冲与均衡脉冲。1.场同步开槽脉冲。场同步开槽脉冲。.同步信号的分离方法及开槽原因。同步信号的分离方法及开槽原因。分离方法分离方法:a.利用同步信号幅度最大的特点利用同步信号幅度最大的特点(100%),采用幅度分离电采用幅度分离电路路,从消隐电平上切割出复合同步信号。从消隐电平上切割出复合同步信号。 b.利用行、场脉冲宽度的不同利用行、场脉冲宽度的不同,采用脉宽分离电路把行同采用脉宽分离电路把行同步和场同步分离。具体是步和场同步分离。

41、具体是: 利用利用微分电路微分电路从复合同步信号中取出行同步信号从复合同步信号中取出行同步信号,电路须满足电路须满足RC4.7 s,可取可取RC4.7 s5,则同步信号经电路后输出一系列的则同步信号经电路后输出一系列的正、负尖脉冲正、负尖脉冲,因为行同步的上升沿对应扫描的回扫起点因为行同步的上升沿对应扫描的回扫起点,用削波电用削波电路将其中正脉冲取出路将其中正脉冲取出,即分离出行同步信号。即分离出行同步信号。 利用利用积分电路积分电路取出场同步信号取出场同步信号,取电路的取电路的RC2.5TH,则行同步则行同步信号经电路后输出几乎为零信号经电路后输出几乎为零,而场同步的输出较大而场同步的输出较

42、大,由此可取出场同由此可取出场同步信号。步信号。从复合同步信号中分离行、场同步信号的波形如上图。从复合同步信号中分离行、场同步信号的波形如上图。 由图示看到由图示看到,分离出的行同步信号中存在一个问题分离出的行同步信号中存在一个问题,即在场同步期间即在场同步期间,由于行由于行同步被淹没同步被淹没,致使丢失了两个行同步信号致使丢失了两个行同步信号,由此造成行扫描电路失控而失同步由此造成行扫描电路失控而失同步,在在荧屏上将造成若干行不同步荧屏上将造成若干行不同步,甚至上部扭曲。甚至上部扭曲。 解决的办法就是对场同步开槽。解决的办法就是对场同步开槽。.开槽的方式。开槽的方式。 因行同步的作用决定于行

43、同步因行同步的作用决定于行同步脉冲的上升沿脉冲的上升沿,因此可以在场同步因此可以在场同步脉冲内开脉冲内开25%深的槽深的槽,只要保证槽只要保证槽的上升沿与原行同步的上升沿相对的上升沿与原行同步的上升沿相对应应,即可起到同步作用。槽宽规定即可起到同步作用。槽宽规定为为4.7 s,并且奇数场并且奇数场(开始于整行处开始于整行处)开槽开槽2个个; 偶数场偶数场(开始于半行处开始于半行处)开开槽槽3个。个。 由图可见由图可见,开槽后场同步期的开槽后场同步期的正脉冲保持与原行同步脉冲信号相正脉冲保持与原行同步脉冲信号相对应对应(两行中间的正脉冲不起作用两行中间的正脉冲不起作用),这就保证了场同步期行同步

44、信号不这就保证了场同步期行同步信号不致中断致中断,但由于开了槽但由于开了槽,场积分输出场积分输出波形上有了两个或三个小缺口波形上有了两个或三个小缺口,这这就会破坏隔行扫描的精确进行。就会破坏隔行扫描的精确进行。 2.均衡脉冲。 电视系统采用隔行扫描技术,一帧分为两场,每场312.5行,两场交接处的信号变化如下: 奇偶:场同步上升沿处于两个行同步中心奇偶过渡积分起点高,并且场同步内开三个槽造成其上升沿形成三个凹点。 偶奇:场同步上升沿与行同步上升沿重合偶奇过渡积分起点低,并且场同步内开两个槽造成其上升沿形成两个凹点。 由于上述区别,结果相邻两个场同步信号积分波形不一致,当同步信号去控制场振荡器时

45、,在同一触发电平下,导致触发时刻不同,结果奇偶场的扫描周期一长一短,从而破坏了隔行扫描的条件(T偶V = T奇V)导致两场光柵不能嵌套,严重时产生并行现象,使垂直分解力大大下降从而失去了隔行扫描的意义。3.黑白全电视信号3.黑白全电视信号总结: .一帧图像以奇数场同步脉冲上升沿为起点； . 奇数场从整行开始,如上图,第1、第2、第3行的一半为场同步(五个槽脉冲)(第1、3、5槽脉冲起均衡作用,第2、4上升沿起同步作用);第3行后半行及4、5行为后均衡脉冲(第2、4个起同步作用);从第6 23.5行共有17.5H+12 s, 从第23.5 310行为场正程； . 偶数场开始于半行处,即第313.

46、5行处,311H335H为场消隐期,336H623.5H为场正程。 消隐时间: 2.5H3+17.5H+12 s=1612 s 场正程: 20ms-1.612ms=18.388ms 奇数场和偶数场是首尾相接的闭合系统,两场是不断交替进行的。 全电视信号三大特性:单极性单极性:只能是正信号或负信号,因此包含有直流分量。周期性周期性:图像信号是随机的,它可以是连续的渐变信号,也可以是脉冲跳变信号,而相邻行的信号是类似的,故可以认为具有周期性。脉冲性脉冲性:各种脉冲信号都有严格的周期性。结论: 组成组成:图像信号、复合消隐信号、复合同步信号、前后均衡脉冲。 电平分配电平分配:同步电平100%,黑电平

47、75%,白电平12.5%。 时间分配时间分配:1H: TH=64 s, THt=52 s, THr=12 s; 行同步脉宽4.7 s,前肩1.3 s 1V: TV=20ms, TVt=18.4ms, TVr=1.6ms 场均衡脉冲: 2.35 s,周期半行,共10个。 5个槽(齿)脉冲,宽4.7 s, 27.3 s 2.5彩色图像的传输与重现彩色图像的传输与重现2.5.1 兼容性兼容性 1.兼容兼容兼容兼容：是指黑白电视机可以接收彩色电视信号而显示黑白图像：是指黑白电视机可以接收彩色电视信号而显示黑白图像;同同时彩色电视机也可以接收黑白电视信号而正常工作时彩色电视机也可以接收黑白电视信号而正常

48、工作,这就叫兼容。这就叫兼容。 兼容性要求彩色电视信号既使彩色电视机显示彩色图像兼容性要求彩色电视信号既使彩色电视机显示彩色图像,又能使又能使黑白电视机显示出黑白图像黑白电视机显示出黑白图像,因此被传送的彩色电视信号必须满足以因此被传送的彩色电视信号必须满足以下条件下条件:.必须包含一个亮度信号必须包含一个亮度信号,它仅反映图像的明暗程度它仅反映图像的明暗程度,相当于黑白图相当于黑白图像信号；像信号；.必须包含彩色信号必须包含彩色信号,它仅代表色度它仅代表色度,可以与亮度信号一起发送可以与亮度信号一起发送,在接在接收端又可以被分开收端又可以被分开,同时二者互不干扰；同时二者互不干扰；.与黑白电

49、视信号有相同的带宽与黑白电视信号有相同的带宽,即即8 MHz;同时图象载频、伴音载同时图象载频、伴音载频以及频道的划分都应与黑白电视相同。频以及频道的划分都应与黑白电视相同。另外扫描频率、同步信号等也一样。另外扫描频率、同步信号等也一样。2.色度信号的带宽色度信号的带宽 人眼对彩色的分辨率比黑白要差得多人眼对彩色的分辨率比黑白要差得多,已知黑白图像信号的带已知黑白图像信号的带宽是宽是 0 - 6 MHz,实验得出如下曲线实验得出如下曲线: 由图可见由图可见, 1 MHz时满意度为时满意度为90%,1.5MHz时满意度为时满意度为95%,2 MHz 时满意度接近时满意度接近100%,因此因此 B

50、 1 MHz即可即可,我国规定色度信号我国规定色度信号带宽为带宽为1.3MHz。2.5.2 传输信号的选取传输信号的选取 1.亮度信号亮度信号 EY=0.3ER+0.59EG+0.11EB2.色差信号色差信号定义定义:基色信号与亮度信号之差称为色差信号。基色信号与亮度信号之差称为色差信号。 已知要发送的已知要发送的Y=0.3R+0.59G+0.11B,因此只要再发送两个基色就可以了因此只要再发送两个基色就可以了,但但因为基色中包含有亮度成分因为基色中包含有亮度成分,为避免传输过程中的干扰为避免传输过程中的干扰,一般不选基色本身作为一般不选基色本身作为色度信号色度信号,而选用色差信号而选用色差信

51、号R-Y与与B-Y。 R -Y=R-(0.3R+0.59G+0.11B)=0.7R - 0.59G - 0.11B B -Y=B-(0.3R+0.59G+0.11B)= -0.7R - 0.59G + 0.89B G -Y=-0.7R +0.41G - 0.89B 由由Y=0.3R + 0.59G + 0.11B可得可得: 0.3(R - Y)+0.59(G - Y)+0.11(B - Y)=0故可得故可得:YBYRYGYGYRYBYBYGYR59. 011. 059. 03 . 011. 059. 011. 03 . 03 . 011. 03 . 059. 0由以上各式可以看出:.G - Y

52、中包含的基色成分最少,因此其抗干扰性差,不易传输。.当已知两个色差信号求第三个时,只有G - Y 中两个系数小于1,便于用无源矩阵实现,因此选用R-Y与B-Y作传输信号是合适的。 由上分析,在彩色图像传输中,发送端送出的是三个信号,即Y、R-Y、B-Y,在接收端,收到这三个信号后,再通过矩阵运算,即可得到R、G、B, 基色矩阵的运算如下: (R-Y)+Y=R (B-Y)+Y=B (G-Y)+Y=G最后将R、G、B信号送给显像管的三个阴极,即可获得彩色的重现。3.选用色差信号作传输信号的优点兼容性好 对黑白色，R=G=B= , 则R-Y=B-Y=G-Y=0便于实现亮度恒定原理 眼睛对亮度细节分辨

53、力高，对色度细节分辨力低，在观察图像噪波时，反映为对亮度噪波敏感而对色度噪波不敏感，因此希望亮度信号的传送不受传送色度信号和其它信号的影响。亮度恒定原理：重现图像的亮度只由亮度信号本身决定，不受色差信号等其它传输信号变化的影响，这一原理称为亮度恒定原理。 设发送端亮度信号：Y=0.3R0+0.59G0+0.11B0=Y0,接收端的亮度信号和色差信号为Yt、(R-Y)t、(B-Y)t。则重现彩色图像的三基色为： Rd= (R-Y)t+ Yt Bd= (B-Y)t + Yt Gd=-0.3 (R-Y)t/0.59 0.11(B-Y)t /0.59+ Yt设电视系统为线性系统，则所显示的亮度正比于以

54、下信号： Yd=0.3 Rd+0.59 Gd+0.11Bd =0.3(R-Y)t+ Yt+ -0.3 (R-Y)t 0.11(B-Y)t + 0.59Yt +0.11 (B-Y)t + Yt = Yt有利于实现高频混合设色差信号带宽为1.3MHz,则恢复的三个基色信号为： R0-6 =(R-Y)0-1.3 + Y0-6 =R0-1.3 + Y1.3-6 B0-6 =(B-Y)0-1.3 + Y0-6 =B0-1.3 + Y1.3-6 G0-6 =(G-Y)0-1.3 + Y0-6=G0-1.3 + Y1.3-64.不同彩色时亮度信号与色差信号计算举例5.转换特性的非线性对实现恒定亮度原理的影响

55、。2.5.3 大面积着色原理与频谱交错原理一、大面积着色原理1.亮度信号带宽仍保持6MHz 由于亮度信号中的高频成分代表图像细节,若将其频带压缩,势必使图像中失去细节而降低了清晰度,故为保证足够的清晰度,亮度信号的频带仍取6MHz。2.大面积着色原理 人眼分辨彩色差别的能力要比分辨亮度差别的能力低的多,彩色电视系统在传送彩色信号时,可以只传送一个粗线条(大面积)的彩色图像,并配以亮度细节,这就称为大面积着色原理。 从频谱观点看,亮度信号用较宽频带,色度信号用较窄频带,用亮度信号中的高频分量代替基色信号中未被传送的高频分量,即: R0 - 6MHz = (R-Y)0-1.3MHz + Y0-6M

56、Hz = R0-1.3MHz+ Y1,3-6MHz G0-6MHz = (G-Y) 0-1.3MHz + Y0-6MHz = G0-1.3MHz+ Y1.3-6MHz B 0- 6MHz= (B-Y)0-1.3MHz + Y0-6MHz = B0-1.3MHz+ Y1,3-6MHz二、频谱交错.1.亮度信号的频谱结构 我们知道,亮度信号是反映了图像像素明暗变化的电信号,由于采用周期性扫描方法，亮度信号便具有了周期性的特点,假设图像为灰度竖条,则其波形如下图(b). 如图,图像内容在垂直方向上没有变化,则形成的图像信号将是以行频重复的周期性信号(暂不考虑场消隐),它可用复数形式的Fourier级

57、数表示如下:Cn为复振幅,根据Cn 的模可得到振幅频谱,而其幅角则表示相位频谱,显然所得频谱将是以行频为间隔的离散的线状频谱,各谱线间有较大空隙。 如果图像内容在垂直方向上也有变化,则按行频扫描和场频扫描所形成的图像信号,将具有二维Fourier级数形式,即: ntjnnHeCte nmtmnjnmVHeCte根据Cnm的模画出的振幅频谱将包含以行频为间隔的频谱线(主谱线)和分布于它们两侧的以场频为间隔的频谱线(副频谱线),即各频谱成分的频率为整倍行频加减整数倍的场频。在隔行扫描的情况下,若考虑到两场信号有所差异,则严格讲,图像信号的重复频率为帧频,离散谱线将以帧频为间隔. 对于一般的静止图像

58、,其信号规律比上述简单图案的图像信号复杂,但由于存在相关性,相邻行信号的波形仍几乎相同,因此仍具有上述频谱结构。通常,当图像内容在垂直方向变化缓慢的情况下,副频谱线将很快衰减,这样粗略地看,就构成以行频为间隔的一簇簇谱线群。它具有以下特点: .亮度信号频谱是离散频谱,它的能量绝大部分集中在行频及其谐波附近,成束分布。 .相邻行频谐波之间有很大一段为能量极少的空白区。 .信号能量随行频谐波次数的提高而减少。2.频谱交错. 在彩色电视中,不能简单的将亮度信号与色差信号直接混合,这是因为色差信号与亮度信号的频谱结构相似,具有相同的周期性,能量也集中在行频及其谐波附近,只是带宽窄些(1.3M),简单的

59、合在一起,则会造成两种频谱互相重叠而无法分开,并且相互干扰。 为了将色差信号有效的安插到亮度信号的空隙中去,可用调幅的方法来搬移色差信号的频谱,以使色差信号的频谱放到亮度信号的频谱高端进行交错. 采取调幅时,适当选取一个频率fs作为副载波,色差信号作为调制信号对fs进行调幅,值得注意的是fs和发射载波不一样, fs只是为了搬移色差信号的频谱而设置,色差信号对副载波调幅后仍为视频信号,它和亮度信号交错在一起,还要再调幅一次(残留边带制)才能从发射天线发射出去. 特点：宏观重叠,微观交错。见下图. 3.正交平衡调幅波. 为达到在6M带宽内传送彩色电视信号,采用了频谱交错原理,它应满足:.色度信号对

60、亮度信号的干扰最小。.色度信号的已调波中无用信号成份小,彩色信杂比高。.两个色差信号互相串扰小,且易于分离,为此采用正交平衡调幅的调制方式。(1).平衡调幅波 设有调制信号为u=Um cos m t ，载波为us=Us coss t 则调幅波可写成: uAM=US(1+ M cos m t ) coss t式中M=Um/Us 为调幅系数,M1. 将上式展开: uAM=US coss t +(USM/2)cos(s +m)t + (USM/2)cos(s -m)t 式中第一项幅度最大式中第一项幅度最大,后两项的幅度皆小于前者一半。同时上式后两项的幅度皆小于前者一半。同时上式中只有上下边频携带信息