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2. 电视传像的基本原理 电视系统:摄像、传输、显像组成 本章讨论:电视系统组成原理、扫描原理 、图像基本参量、传送彩色图像时信号的 选择及有关原理。 2.1 电视系统组成原理 2.1.1 图像顺序传送原理 1. 图像的表示法:亮度L、色调H、饱和度S 对于黑白图像在二维空间平面图像: 2. 图像的顺序传送 一幅图像由许多像素构成,要同时把他们的 变化有甲地传到乙地几乎是不可能的。 合理的解决方法是:把各个像素的变化按照 一定顺序转变为电信号,按照顺序传送。在 接受端,再按照同样顺序将各个电信号在相 应的位置上转变为光。只要速度快,人眼的 视觉惰性和发光材料的余辉特性会使有同时 发光的感觉。 手动扫描 收发端的同步:顺序传送要求迅速、准确, 每个像素的几何位置要一一对应,不能错位 ,否则收端将分辨不出原画面。 3. 扫描 行扫描:自左至右的扫描 场扫描:自上而下的扫描 将空间、时间函数L=fL(x,y,t)变成 时间函数的 电信号UL=f(t) ,这就实现了平面图像亮度的顺 序传送。 逐行扫描对图像进行垂直空间抽样, 逐场扫描对图像进行时间轴抽样, 再按行、场顺序依次发送就成为视频信号。 2.1.2 光和电的转换原理 1. 摄像 (第四章讲CCD) 2.1.3 彩色图像的摄取与重现 1.彩色图像的摄取 彩色图像的重现 图25蔭罩式彩色显像管简图 图26蔭罩板的作用示意图 2.2 电视扫描原理 2.2.1 逐行扫描 行偏转线圈中有行偏转电流,产生水平方 向的偏转磁场。场偏转线圈中有场偏转电 流,产生垂直方向的偏转磁场。 电子束在行、场偏转磁场的共同作用下, 一行接一行的扫描方式叫逐行扫描。 行扫描:电子束在水平方向上的扫描 行正程扫描:电子束在水平方向上自左端至 右端的扫描。 行逆程扫描:电子束在水平方向上自右端至 左端的快速返回扫描。 只有行扫描时 只有场扫描时 行扫描电流的电子束在水平方向上的运动速 度远大于场扫描电流电子束在垂直方向上的 运动速度,所以在屏幕上出现了稍微倾斜的 直线光栅。 一场 有6行 消除了逆程回扫线 625行时,光栅近似为水平直线 逆程期间不传送图像,让电子束截止 ,称为 消隐 正程扫描时间要大于大于逆程扫描时间 行扫描逆程系数(18%):=THr/TH 其中: THr 行扫描逆程时间 TH 行扫描总时间 场扫描逆程系数(8%) :=TVr/TV 其中: TVr场扫描逆程时间 TV场扫描总时间 2.2.2 隔行扫描 v1. 隔行扫描的提出 v根据人眼的视觉惰性和分辨能力 v保证人眼的舒适度和观看的清晰度 v隔行扫描的原理:一帧图像两场扫描 v帧频概念:隔行扫描时,帧扫描频率是场频的 1/2 v2. 隔行扫描光栅的形成 v奇数行隔行扫描需满足要求: v(1)下一帧扫描起始点应与上一帧起始点 相同,以便保证各帧扫描光栅重叠 v(2)相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌,以 获得最高清晰度 v因此行频 与场频 存在下列关系: v式中,n为正整数, 为扫描行数 ,且为奇数 v偶数行 隔行扫描未被采用原因是技术实现 比较困难。 v3. 隔行扫描的缺点 v(1)行间闪烁效应 v(2)并行现象 v(3)特定条件下的“锯齿化”现象 2.2.3 扫描的同步 v1.扫描的同步 v解决方法:加入同步脉冲 v2.消隐脉冲与复合同步脉冲 v复合同步脉冲只要经过简单的微分电路和积 分电路,就可以分别得到行同步脉冲和场同 步脉冲 v3.开槽场同步脉冲与均衡脉冲 v开槽场同步脉冲提出原因:场同步期间没有 行同步信号,影响在整个扫描过程中的严格 同步 v两场的同步脉冲的起始点的时间差异 的消 除 v在场同步脉冲前、后的窄脉冲分别称为前均 衡脉冲与后均衡脉冲 v黑白全电视信号 2.3 电视图像的基本参量 v2.3.1 图像的几何特征 v一般用扫描非线性系数 来度量非线性畸变 的程度 v行、场扫描非线性系数分别用 和 表示, 计算如下: v我们用几何畸变系数表示光栅几何畸变的程 度。实验表明当它小于3%时,畸变不显著 v2.3.2 图像的连续性与场频的确定 v选择场扫描频率时应考虑到不出现光栅闪烁 、不易受干扰、传送活动图像时有连续感觉 、图像信号占用频带不应过宽等方面 电源频率和场频为差频时:滚道 v2.3.3 扫描行数及有关参数的确定 v1. 清晰度与分解力 v(1)垂直分解力 v分解力:电视系统传送图像细节的能力 v标称分解力:扫描行数 v垂直分解力扫描行数 v分解图像的有效行数为 v垂直分解力M表示: v 凯尔系数 隔行因子 最佳情况:左侧,(a)(b)对应。 最坏情况:一条灰色竖条。 中间情况:右侧,不准确重现黑白条纹,垂 直分解力是有效行数的一半。 考虑到图像内容的随机性,垂直分解力介于 是有效行数和一半有效行数之间。 凯尔等人研究:垂直方向上,能分解到0.64Z 的水平条纹数。 6250.64=400线,我国取0.76625=475 v(2)水平分解力 v通道的通频带宽度将限制图像的水平分解力 v分解力受到电子束孔径(直径)大小限制( 主要因素)的现象,称为孔阑效应。 v实验证明:水平分解力 与垂直分解力相当 时图像质量为最佳 v适应这一要求的水平分解力为: v其中K为光栅的宽高幅型比 v2.图像信号的最高频率电视通道的频带 宽度 v沿水平方向扫过一个像素所需的时间为: 扫描 正程时间 水平分解力 行扫描周期 行扫描逆程系数 帧扫描频率 每场扫描行数 v图像信号的最高频率为下式: v逐行扫描, : v隔行扫描, : 我国电视标准下, K=4/3,50Hz,625行。 等,信号带宽为5.6MHz,所以规定通频带为 6MHz。 v3. 扫描行数Z的确定 v为兼顾经济指标和清晰度,我国采用的标准 是Z=625行 v当行数Z确定后,行频也就确定了,即: v对高清晰度电视来说,屏幕尺寸和幅型比加 大的同时,相对观看距离减小了,必须增加 扫描行数 v2.3.4 图像亮度与色度的非线性失真 v1. 亮度的非线性失真 v摄像管输出电压 与被摄取景物亮度 关系 : 比例常数 非线性系数 v且对一般摄像管 v在显象管端也存在上述类似的非线性关系 v显象管屏幕上显示的亮度 与所加电压 之 间的关系: v式中 为比例常数; 是显象管电光转 换特性的非线性系数,一般在23之间 v于是我们得到显象管屏幕显示的亮度 与被 摄取景物亮度 之间的关系: v令 v则 ,不等于1,是非线性失真。 v为了校正这种由光电转换所产生的非线性失 真,一般在发端采取了预失真措施,使传输 通道的 等于 ,从而使整个电视系 统的 值等于1,这时系统的总传输特性是 线性的。这种预失真方法称为 校正 v2. 图像的亮度层次 v图像中最亮部分到最暗部分之间能分辨的亮 度层次越多,图像就越清晰、逼真 v3. 彩色的非线性失真 v用彩色三角形说明色度非线性失真 1)被摄彩色为基色光,色度不变; 例如: 2)被摄彩色为C白,色度不变; 例如: 3)被摄彩色为三角形内任意颜色,色度坐标 移动,有彩色失真; 例如: 色度失真要限制在人眼色差辨别阈的容限内 。 2.4 视频图像信号 v视频图像信号是指经扫描、光电转换过 程由光转变成的电信号,或再经 校正和线 性组合等处理过程而形成的视频信号 v2.4.1 黑白图像信号 v1. 黑白图像信号波形 v负极性图像信号 v同步和消隐比黑电平高 v比黑还黑 2. 黑白图像信号频谱 1) 黑白条时的傅氏级数 2)倾斜条纹时的傅氏级数 主谱线:以行频为间隔的频谱线 副谱线:以场频为间隔的频谱线 以 行频为间隔的频谱结构 以nfH为中心频率的谱线群结构 (上图的细节) 总之,从电视图像信号的频谱分析来看, 其能量主要分布在以行频及其各次谐波频 率为中心的较窄范围内,余下的较大空隙 可利用来传送彩色信息。这就为在不扩展 传输频带的情况下实现彩色电视提供了理 论依据 v2.4.2 亮度信号、色差信号及其组成原理 v1. 恒定亮度原理与高频混合原理 v恒定亮度原理:重现图像的亮度只由传送亮 度信息的亮度信号决定 v高频混合原理在:从信号频带来看,为传送 代表亮度信息的信号应占有全部视频带宽, 而传送代表色度信息的信号可用较窄的频带 ,这样在接收端所恢复的三个基色信号就只 包含较低的频率分量,它们的高频部分都用 同一亮度信号的高频部分来补充 v2. 亮度信号和色差信号 v经过转换并代表彩色三个基本参量的新的传 输信号需满足: v(1)为获得兼容性,必须传送一个与黑白 电视相同的亮度信号。彩色全电视信号应保 持与黑白电视信号相同的频带宽度 v(2)需要传送两个代表色度的信号。根据 恒定亮度原理,它们不应包含有亮度信息; 同时根据高频混合原理,色度信号可以采用 窄带传输 v(3)在传输黑白图像时,三个基色信号相 等,即:R=G=B,根据上一条件,这时两个 代表色度的信号应当等于零 v(4)代表色度的两个信号是互相独立的 v(5)三个基色信号与三个传输信号之间的 转换关系要简单 v于是现行彩色电视系统选用一个亮度信号和 两个色差信号。所谓色差信号是指由基色信 号和亮度信号之差组成的信号 v它们与三个基色信号之间的关系为: v在三个色差信号中只有两个是独立的,它们 之间的关系为: v通常选Y、(R-Y)、(B-Y)作为传输信号 v在接收端,为了恢复重现图像所需的三基色 信号,可先按上式由(R-Y)和(B-Y)信号 组成(G-Y),然后由下式得到三个基色信 号: v用信号表示式实现恒定亮度和高频混合原理 v因显象管的 系数等于1,所显示的亮度将 正比于以下信号: v可见,不论 和 怎样变化或混 有干扰信号,都不会影响亮度,亮度只由亮 度信号 决定。于是实现了恒定亮度 v若取色差信号的频带为01MHz,而亮度信 号的频带为16MHz,则恢复的三个基色信 号将分别为: v可见,重现的彩色图像的三基色信号只包含 01MHz的频率分量,而16MHz的范围内为 来年高度信号分量,实现了高频混合原理 v3. 不同彩色时亮度信号与色差信号值举例( 不讲) v4. 转换特性的非线性对实现恒定亮度原理的 影响(了解结论) v结论:色差信号在传输中引起的变化以及混 入的杂波对重现亮度的影响并不严重。对于 黑白接收机接收彩色电视广播来说,色度信 号经非线性转换特性后形成的附加亮度分量 对恒定亮度误差造成的亮度下降也起到补偿 作用 v2.4.3 标准彩条信号 v标准彩条信号是由彩色信号发生器产生的一 种测试信号,常用来对彩色电视系统的传输 特性进行测试和调整。 v标准彩条信号的分类 v1. 按饱和度与幅度百分比的划分 v这种命名法中三基色信号均指未经 校正的 信号 v2. 按四数码表示法的划分 v这种命名法中各信号均指 校正后的信号 v彩条信号用四数码命名时,其百分数饱和度 和幅度可如下计算: 在电视节目的制作播出及设备维护中,最常 用的莫过于彩条信号了。这是由于彩条信号 能正确反映出各种彩色的亮度、色调和色饱 和度,是检验视频通道传输质量最方便的手 段。常用于几个方面: 1、电视台开播前的电子图像。 2、录像带带头录制1min彩条:可供调整 录像机视频通道的增益、时延、副载波相位 等参数,以便信号进入切换台时与其他信号 保持一致。 3、摄像机内置彩条发生器:可录制在磁 带开始处,也可输出供信道
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