电视扫描和黑白全电视信号课件

电视扫描和黑白全电视信号

3.1电视传像的基本概念1.景物光学信息的函数表达式电视传像的基本过程是：在发送端，由电视摄像机经光电变换将景物的亮度B和色度C(包括色调H和饱和度S)按一定的规律变换成相应的电信号，经适当处理后通过无线电波或有线线路传输出去。在接收端，用电视接收机将收到的电信号经电光变换按对应的规律重新显示出图像，逼真地反映出原景物。把景物看成是许许多多小点的集合体，这些小点为像素，也就是景物的最小单元。这些像素在它们各自固定的几何位置上(几何位置可用空间坐标x、y、z来表示)含有各自的亮度和彩色信息，这样静止景物的光学信息B、H、S都因地(空间位置)而异，它们都是x、y、z函数，于是可用下列函数式来表达：(3.1)活动景象的光学信息还因时而异，它可用下列函数式来表达：

(3.2)对于现今通用的平面彩色电视来说，就只需要传送景物的二维光学信息，重现的是平面图像，所以不需要式(3.2)中的z参量，函数表达式成为：

(3.3)

如果传送的是平面黑白电视信号，那么三个光学信息中只剩下一个亮度信息B了，函数表达式简化为：

B=f(x,y,t)

(3.4)

2.顺序传送制和同步扫描

按一定顺序将一个个像素的亮度信号轮流地变换成电信号，并且用同一条传输通道传送这些电信号，称为顺序传送制。

123123

图3.1顺序制传输图像像素示意图传输通道顺序传送像素的规律(或图像的顺序分解与复合的过程)称为扫描。如果扫描的速度足够快，使帧频既高于活动景物连续感所需的频率，又高于临界闪烁频率，则在接收端所见到的就是既有连续感又无闪烁感的活动景象了。从数学上说，扫描的实质是将原来随空间和时间而变的函数变换成只随时间而变的函数。扫描前，分布在平面上的亮度信息函数是B=f(x,y,t)；通过扫描，就成为时间t的单一函数了，即:

B=f(t)(3.5)

扫描并未丢弃了空间因素，在扫描时，处在不同空间位置x,y上的像素是在不同的时刻t传送的，也就是说，x,y分别是时间t的函数，所以代表空间位置的变量x,y没有丢失而已经隐藏于式(3.5)所表达的函数关系中了。进行扫描时必须做到收、发两端的扫描规律要严格相同，称之为同步。所谓同步，包含两个要求：一是收、发两端的扫描速度相同，这叫同频；二是收、发两端每行、每帧的扫描起始时刻相同，这叫同相。3.电视系统的扫描和传像原理1)电视摄像：光电导摄像管内的主要部分是光敏靶和电子枪，管外则有聚焦线圈和偏转线圈。光敏靶利用其电导率随光线强弱而变化的光敏特性将一帧光的图像，转变成了一帧“电的图像”。电子束扫描又使“电像”分解为像素，并依次拾取各像素的信息。2)电视显像：管内结构有电子枪和荧光屏，管外有偏转线圈。

由阴极发射出来的电子在电子枪其它电极的聚焦和加速作用下聚成电子束，并以高速轰击荧光屏，使它发出一个光点(像素)。电子束电流越大，发光点越亮。图像信号输至电子枪的栅极(或阴极)，使电子束电流的大小受图像信号的控制。所以荧光屏上发光点的明暗与图像内容有关。同时，在偏转线圈产生的偏转磁场作用下，电子束按与摄像管电子束同样的规律在荧光屏上快速地扫描。这样就可以在荧光屏上就重视出原图像。3)同步信号显像管中电子束的扫描规律应与摄像管中电子束的扫描规律完全相同，即应做到同频又同相的同步扫描。为此需要由统一的同步信号来控制收，发两端的扫描电路，以使它们输出步调一致的扫描电流送入偏转线圈。同步信号是由播送端的同步机产生的。

同步混入处理存储传输通道接收、解调、同步分离扫描电路扫描电路靶电源扫描线圈显像管偏转、聚焦线圈摄像管R同步机图3.2电视系统示意图电子束光敏靶阴极3.2电视扫描

1.扫描方式在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，都采用匀速单向直线扫描方式。这种扫描方式分水平和垂直两个方向：从显像管外看，水平扫描的顺序是从左到右；垂直扫描是从上到下。水平扫描也叫行扫描，垂直扫描也叫场扫描或帧扫描。2.逐行扫描电流和扫描光栅

t0t1t2t3t7

12345678场正程TVt场逆程TVr行正程THt向下偏转向上偏转向左偏转向右偏转行逆程THr图3.3水平和垂直扫描电流波形图iHt图3.4电子束扫描的轨迹和光栅当显像管外的偏转线圈中没有偏转电流通过，此时电子束应径直地射向荧光屏的中心，发出一个亮点。如果只在水平偏转线圈中通以图3.3所示的iH，则电子束只沿水平方向来回扫描，结果在荧光屏上呈现的是一条通过屏中心的水平亮线，见图3.4(a)。若只是垂直偏转线圈中通以图3.3所示的iV，那么呈现的是一条通过屏中心的垂直亮线，见图3.4(b)。

若同时存在iH和iV时，电子束就能自左至右、自上而下扫描整个屏幕。此时，电子束的扫描轨迹如图3.4(c)所示。电子束从左到右的扫描称为行正程，行正程扫描所用的时间称为行(扫描)正程时间，用THt表示；从右到左的回扫过程称为行逆程，用THr表示。电子束自上至下的扫描，称为场的正程，场正程时间用TVt表示；自下而上的回扫过程称为场逆程，用Tvr表示。3.扫描的参数1)参数

行正程时间THt与行逆程时间THr之和称为行周期TH

，它的倒数为行扫描(水平扫描)频率，简称行频，用fH表示。场正程时间Tvt与场逆程时间Tvr之和称为场周期Tv，场周期的倒数为场扫描(垂直扫描)的频率，简称场频，用fv表示。行逆程时间与行周期之比称为行逆程系数，用α表示，即：

(3.11)

场逆程时间与场周期之比称为场逆程系数用β表示，即:(3.12)逐行扫描方式应要求每场的光栅能够精确重合，也就是要求每场正程和逆程内的总行数正好是整数。这样，当第二场开始时，iv为最大值，iH正好又处在最小值，于是第二场的起扫点又在屏的左上角，与第一场起扫点重合。即：

Tv=ZTH(3.13)

fH=Zfv

(3.14)Z为标称扫描行数：每场扫描行数。2)参数的选择场频的选择：要考虑图像有连续感，无闪烁、不易受干扰、图像信号频带不至于过宽等因素。当播送静止画面时，由于人眼的视觉暂留时间一般大于0.05秒，所以只要场频高于20赫兹时，就可以产生视觉的连续感。对于断续出现的运动景物来说，当它重复出现的频率高于20赫且相邻两次出现的相对位置对眼睛的张角不超过7.5分时，就可以产生连续移动的感觉。（fv>32Hz）

为了使电视图像没有闪烁感，场频应高于人眼对画面的临界闪烁频率fc。（fv>

48Hz)

场频越高，图像信号的频带就越宽，因此选择过高的场频会使电视设备复杂而不经济。

在电视选取场频时，通常都选用与电源频率相同的场频，即50赫或60赫。行频的选择：在逐行扫描方式中，为使各场光栅精确重合，应保持fH=Zfv，其中Z为每场的标称扫描行数(整数)。标称扫描行数与图像信号的带宽、电视系统的分解力等指标有着密切的关系。在一定范围内扫描行数越多，电视系统的分解力和清晰度越高，但图像信号的频带也就越宽。

由于人眼的分辨力是有限的，所以当扫描行数较少时，增加扫描行数可明显提高清晰度；但当扫描行数增加到一定值时，随扫描行数的提高，清晰度的主观感觉就趋于恒定而很难提高了。在满足视场要求的情况下，观看距离L与屏幕LV之间应具有下列关系：

(3.17)

15ºφ1.00.80.60.40.20

图3.5相对视力与垂直偏转角的关系

相对视力

由于人眼的分辨力是有限的，所以当扫描行数较少时，增加扫描行数可明显提高清晰度；但当扫描行数增加到一定值时，随扫描行数的提高，清晰度的主观感觉就趋于恒定而很难提高了。在满足视场要求的情况下，观看距离L与屏幕LV之间应具有下列关系：

(3.17)

满足人眼分辨力的屏幕扫描行数

ZM=LV/d=600(3.18)

标称扫描行数：Z=ZM/[1-β]=652(3.20)

目前世界各国对60Hz场频的，选用525行，其行频为15750Hz；对50Hz场频的选用625行，其行频为15625Hz。高清晰度电视，其标称扫描行数约为1125行。缺点：10MHz~20MHz4.隔行扫描

1)隔行扫描原理

隔行扫描是将一幅画面分两次扫描：先扫画面上空间位置的奇数行光栅(包括场逆程，奇数场)；扫完后，接着再扫偶数行光栅（称为偶数场），完成第二场的扫描。这前后两场内传送并显示的图像称一帧。所以在隔行扫描中，一帧分两场。(a)奇、偶场光栅结构图

(b)奇、偶两场光栅均匀镶嵌

图3.6隔行扫描的光栅结构一帧等于两场，所以帧频

fF

恒等于fV之一半。

(3.21)

隔行扫描中，标称扫描行数Z是指一帧内的扫描行数，也就是前后两场总行数，而每场(包括场正程和场逆程)只扫描二分之一Z行，所以隔行扫描各频率参数间具有下列关系：(3.22)隔行扫描的图像信号带宽：

(3.23)上式对逐行扫描和隔行扫描都适用，可见隔行扫描的图像信号带宽要减少一半。6MHz2)隔行扫描的特点隔行扫描解决了逐行扫描无法克服的闪烁感、清晰度和图像信号频带三者之间的矛盾，同时满足对这三方面的要求。隔行扫描也有缺点，如存在行间闪烁及产生并行现象(奇数场的光栅和偶数场的光栅并在一起或不均匀地镶嵌)，从而降低分解力和清晰度。当采用隔多行扫描时，上述隔行扫描的缺点将变得明显，因此现在世界各国的广播电视制式都不采用隔多行扫描的方式，而均采用隔行率为2∶1的隔行扫描。3.3图像信号(VideoSignal)

通过电视扫描，在摄像端的摄像管内的电子束对成像在摄像靶面上的活动图像进行扫描分解，即可将f(x,y,t)的活动图像分解成随时间变化的电信号f(t)，称此电信号为图像信号。黑色电平和白色电平图象信号的波形特点：单向性(正极性和负极性)和脉冲性。

(a)八级辉度垂直条图像

(b)正极性图像信号

(c)负极性图像信号

白色电平

黑色电平

逆程正程图3.7图像信号

3.4消隐脉冲和同步脉冲

1.消隐脉冲

消隐脉冲也称消隐信号，它包含行消隐脉冲和场消隐脉冲两种脉冲序列，行、场消隐脉冲合称复合消隐信号。

行消隐脉冲用来使行扫描(水平扫描)逆程期间显像管电子束截止，不显示图像，完成行消隐；

场消隐脉冲用来使场扫描(垂直扫描)逆程期间电子束截止，完成场消隐。11.8us52.2us25TH+THr1612us行消隐场消隐

图3.8图像信号为负极性的复合消隐脉冲消隐脉冲电平：略高于黑电平消隐脉冲宽度：行消隐脉冲宽度=11.8us

场消隐脉冲宽度=25

TH+THr

=1612us

消隐脉冲的重复周期：TH、Tv2.同步脉冲

为了实现收发端电子束扫描的同步，由电视中心台内的同步机产生同步信号(也叫同步脉冲)，同时送给电视摄像机和接收机，用以控制它们的扫描电路。简单复合同步脉冲：包括行同步脉冲和场同步脉冲两种脉冲序列，分别被放置在行逆程和场逆程中传送。与消隐脉冲采用以幅度相区别的叠加方式。行同步脉冲与场同步脉冲在一起称为复合同步脉冲。

同步信号与消隐信号的相同之处：频率相同不同之处：1）电平不同2）脉冲宽度不同3）脉冲的起始时刻不同基准时刻（起始时刻）：行同步脉冲的前沿决定行扫描电流正程结束，逆程开始。简单复合同步脉冲存在的问题：1）在场同步期间缺乏行同步信息，容易造成局部行扫描的失步；2）接收端行、场同步分离电路使奇、偶两场实际的场周期有差异，从而导致两场光栅不能精确镶嵌。

幅度分离锁相环路积分电路频率分离全电视信号行扫描电路场扫描电路复合同步信号场同步图3.12同步分离电路示意图

行同步偶数场奇数场奇数场场同步偶数场场同步奇数场偶数场切割电平线

tAtB

tatbΔt(a)(b)(c)TH图3.13奇、偶两场场周期时间差Δt的原因同步出发电平问题的解决1)在场消隐前肩上的几个行同步脉冲改成二倍行频的均衡脉冲，使奇、偶两场的场同步脉冲前一段时间内(例如2.5TH)具有相同的脉冲群，以消除奇、偶场周期差异。2)对场同步进行2倍行频刻槽，利用槽脉冲的上升沿补回失去的行同步信号。采用2倍行频的原因是1倍行频刻槽会使得奇、偶场的积分起始电平不同产生奇、偶场周期差异。3.5黑白全电视信号

黑白全电视信号(VBS)就是图像信号、复合消隐信号和复合同步信号的组合。第一个场同步前沿与应起行同步作用的脉冲前沿相一致时，此时刻规定为奇数场的起点;第一个场同步前沿与应起行同步作用的脉冲前沿差半行时，此时刻规定为第二场(偶数场)的起点。每帧的第1行，并非是场正程中显示光栅的顶部的首行，它隐匿于场消隐之中。场消隐后肩有“空闲”行，可安插其他信息。全电视信号的幅度：同步头至峰白电平143单位;消隐电平0单位;黑色电平距消隐电平7.5单位;峰值电平距消隐电平100单位;同步脉冲43单位.

国别,参数内容南、北美洲国家日本等

西欧国家中国前苏联

每帧扫描行数

525

625625625

帧频（赫兹）

30

2525

25

场频（赫兹）

60505050

行频（赫兹）

15750156251562515625行周期（

s）63.5

6464

64行消隐宽度（

s

）

9.5-11.5

11.52-1211.52-12

11.52-12行同步宽度（

s）4.754.74.74.7行消隐前肩（

s）1.271.31.31.3行消隐后肩（

s）3.81

5.8

5.85.8场消隐脉宽（

s）13331611.81611.81611.8前后均衡脉冲个数6555均衡脉冲宽度

s）2.542.35

2.352.35场同步脉宽（TH）3

2.5

2.52.5场同步刻槽脉冲数6555槽脉冲宽度（

s

）

4.44.74.74.7各国黑白全电视信号参数电视图像信号的频带就是从图像信号的最低频率到最高频率之间的频率范围（带宽）。图像信号低频频率约为25～30Hz，它表示相邻两场图像内容的变化情况；比它更低的频率可以认为是直流电平的变化，它与图像的背景亮度有关；图像信号的最高频率约为6MHZ左右,它表示电子束在行正程扫描时，能分解的像素多少的能力，即电视系统的分解力。1.图象信号的最低频率图象信号的较低频率与图象在垂直方向上的变化情况有关。图象信号的平均值对应着景象的背景亮度。图3.16视频信号的平均值2.电视系统的分解力

电视系统的分解力是电视系统分解、传送、复合图像细节的能力。1)垂直分解力：沿图像垂直方向所能分解的像素数，实际检验时常采用黑白相间的横条纹数来代替。图3.17孔阑效应对垂直分解力的影响用M表示垂直分解力，它总是小于标称扫描行数Z。场消隐时的扫描行不分解象素M=Z(1-β)(3.24)575线孔阑效应的存在：使垂直分解力小于有效扫描行数。

M=kZ(1-β)0.5＜k＜1k克尔系数(3.25)

431线2)水平分解力：沿图像水平向所能分解的像素数(或黑白相间的竖条纹数)称为水平分解力，用N表示。水平分解力受到孔阑效应、电视系统传输通道的通频带及垂直分解力的影响。

（3.26）575线3孔阑效应

分解力受到电子束孔径(截面直径)大小限制的现象，称为孔阑效应。虽然图像的亮度BS是陡变的，有一个清晰的黑白分明的边缘，但图像信号电流i却是渐变的，有一个过渡区，在过渡区域内，

和i是一个线性上升函数。

，i=（3.26）

式中Co为比例常数

过渡区的宽度正好等于孔阑尺寸S。

暗区明区

x=0

=

max

x=

=0

x<

=0

x=

=

max正比于

x=

=

max图3.18正方形孔阑扫描垂直明暗边沿的过渡过程i摄像端的孔阑效应使图像黑白分明的边界产生过渡区（模糊区）被摄图像的明暗边沿SXX=S/2i=0X=0i=imax/2X=S/2i=imax重建图像的亮度分布重建图像的亮度曲线BEmax2S

图3.19接收端孔阑效应使用暗边的模糊区图接收端的孔阑效应使得模糊区的宽度不再是S而被扩展到2S。

iIMAXIMINd被摄条纹图像图像电流波纹S2

图3.20正方形孔阑扫描不同宽度黑白竖条时的信号波形

当条纹的宽度d大于孔阑宽度S时，信号电流波形是梯形，它总能达到最大值imax；当d等于S时，信号曲线成为三角波，电流刚好能达到最大值和最小值；当d小于S时，信号电流既不能达到最大值，又不能达到最小值，而只能在平均值上下作小幅度变化，波形成为小梯形。当孔阑始终半跨明区，半跨暗区，信号电流永远等于平均值,不再波动，重显图像将成一片灰色，完全丧失水平分解力。4、图像信号的最高频率和带宽

图像信号的最高频率出现在传送图像水平细节的情况下，传输图像细节的尺寸应接近于一个扫描点的大小。沿水平方向扫过一个像素的时间td为：

(3.28)

图像信号的最高频率为：

(3.29)由于图像信号的最低频率除零值(直流分量)外就是近零频率，图像信号的带宽B近似于信号的最高频率。我国规定的标称视频（视频全电视信号）带宽为6兆赫。

视频带宽B与水平分解力的定量关系：

B=(3.31)5.电视图象的象素总数电视系统将一帧图像沿水平方向分解成460个像素，沿垂直方向分解成345个像素，这样一帧图像含有158,700个像素，这个数字并不随显像管屏幕尺寸大小而改变.3.7图像信号的频谱分析

电视图像是由一行行一场场扫描和一帧帧的画面综合成的，而行、场扫