1、教学目标,理解亮度信号和色差信号的概念及形成过程。 掌握NTSC制的编码过程和PAL制编码的特点。,1.1光和色 由光学理论知道，光是一种以电磁波形式存在的物质，它的波长范围大约在 380780nm（1nm10-9m）之间。由于这段电磁波的辐射能为人眼看得见，所以称为可见光，习惯上简称为光。人眼对不同波长的光引起不同的颜色感觉，例如，波长为400nm左右和波长为700nm左右的光，给人以紫和红的感觉。在可见光的范围内，按波长的依次递减，相应颜色排列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，把这些色光混合在一起就得到白光。,1 光和色的基本知识,图1电磁波谱,把一束光（太阳光）斜射到玻璃棱镜上，通过
2、棱镜折射后，可将其分解为波长由长到短排列的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色彩带，如图2所示。这种现象也表明了白光不是单色光，而是由七色光合成的。,图2 太阳光的分解,2 彩色三要素 亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。任何一种彩色对人眼引起的视觉作用，都可以用彩色三要素来描述。 1)亮度: 亮度是指人眼所感觉的彩色的明暗程度，亮度取决于光线的强弱。另外，亮度与波长的长短有关，强度相同但波长不同的光给人眼的亮度感觉也是不同的，生活中观察15W的绿色灯泡发出的光比15W的红色灯泡亮，15W的红色灯泡比15W的蓝色灯泡亮，就是这个道理。,2)色调: 色调是指彩色的颜色类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫
3、分别表示不同的色调。色调取决于彩色的光谱成分，不同波长的光具有不同的色调。,3)色饱和度: 色饱和度是指彩色的深浅程度。同一色调的彩色，其色饱和度越高，颜色越深。色饱和度与彩色中所掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，色光越浅，色饱和度越低。色饱和度用百分数表示，如某色光中若掺入一半的白光，则色饱和度为50%，未掺入白光的纯色光，其色饱和度为100%。白光的色饱和度为0。 色调和色饱和度统称为色度。彩色电视系统不仅像黑白电视系统那样能够传送景物的亮度信息，还要传送景物的色度信息。,1.2 三基色原理和混色法,1.2.l 三基色原理 实验证明，将红、绿、蓝三种色光投射到一个白色的屏幕上，调节三种色
4、光的不同比例，几乎可以混合出自然界所有的彩色。用来混色的三种单色光称为基色。用三基色可以混合成其他彩色的原理称三基色原理。 在电视技术中，以红（R）、绿（G）、蓝 (B) 为三基色，红光的波长取700nm，绿光的波长取546.1nm，蓝光的波长取435.8nm。,1.2 三基色原理和混色法,三基色原理的主要内容有： 1) 自然界的所有彩色几乎都可用三种基色按一定的比例混合而成；反之，任何彩色也可分解为比例不同的三种基色； 2) 三种基色必须是相互独立的，即任一基色不能由另外两种基色混合而成； 3) 用三基色混合成的彩色，其色调和色饱和度皆由三基色的比例决定； 4) 混合色的亮度等于参与混色的基
5、色的亮度的总和。,1.2.2 混色法,彩色电视重现景物的彩色，通常是靠彩色显像管荧光屏上的三种荧光粉在电子束轰击下发出各自的基色光而完成的，即它们分别发出红、绿、蓝三种基色光，并混合成彩色图像，这三种基色称为显像三基色。,利用三基色按不同的比例混合来获得彩色的方法称为混色法。彩色显像管之所以能够显示出各种各样的丰富多彩的彩色是利用了三基色的混色原理。彩色显像管中的荧光粉粒本身是发光体，它的混色规律是遵从相加混色法，即以彩色光的互相叠加来实现混色产生另一种新的彩色光。相加混色法的混色规律可用图3表示，由图可见，以等量的红、绿、蓝三基色光进行相加混色效果如下：红色十绿色=黄色；绿色十蓝色=青色；蓝
6、色十红色=紫色；红色十绿色十蓝色=白色。,1.2.2 混色法,图 3 相加混色,1.2.3 人眼的视觉特性,1.视觉灵敏度 人眼在明亮的环境下，不但可以看清物体的形状，而且还能辨别物体的颜色。在昏暗的环境下却只能分辨物体的形状、轮廓而不能分辨物体的颜色。这是由于在人眼视网膜上有两种不同的光敏细胞：杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞感光灵敏度较高，在光线较暗的条件下起作用，可以识别物体的形状和轮廓，但无法清楚地识别物体颜色。另一种称为锥状细胞，它们的感光灵敏度较低，只有在光线明亮的条件下才起作用，但它们具有辨别颜色的能力。根据实验证明：锥状细胞有三种，分别对红、绿、蓝三种波长的光敏感。,实验还证实当三
7、种色觉细胞同时接受红、绿、蓝三种光激发时，人将产生白色的色觉，即人眼的三种细胞也有混色效应，也就是所谓的生理相加混色法。改变三种基色的强度，混色结果的明亮程度将发生变化，实验还得到如下结论：用强度相同的红、绿、蓝基色光混色产生100%的白光时,绿光 (G) 产生的强度占59%，红光 (R) 产生的强度占30%，蓝光 (B) 产生的光强度占11%，用数学公式可表示为 Y0.30R0.59G0.11B,根据以上分析可以得到两条重要的结论：一是复合光的亮度等于各光分量的亮度之和，二是人眼所看到的彩色光是不同光谱成份作用于眼睛的综合效果，不同波长的光会引起不同的彩色感觉，几种不同波长光谱成份的光混合后
8、，可以得到与某一单一波长的光相同的彩色感觉。也就是说，眼睛只能有彩色的感觉，而不能区别刺激它的光谱成份。这样在彩色电视传送与重现彩色时，只要求重现原景物的彩色感，不要求恢复原来的光谱。并不必考虑所重现的彩色光谱成份与原景物彩色的光谱成份是否相同。,眼睛的这两点辨色特性很重要，第一点说明制作彩色电视时要有足够的亮度，第二点说明彩色图像细节传送与否影响不大。 彩色电视机是为人类服务的。因此，人眼的视觉特性是决定彩色电视机的基本组成的关键。在黑白电视理论中，基于人眼对黑白图像(即亮度)的分辨能力，确定了电视机水平与垂直分辨力的标准，将视频信号的带宽确定为6MHz。,由于人眼的辨色能力差，因此，相对亮
9、度信号来说，传送彩色信号时，对清晰度要求较低。当传送的彩色信号频率较高(大于1.5MHz)，彩色电视接收机荧光屏上重现的色点直径很小时，人眼已不能分辨其是否有彩色。,人眼的这一特性使彩色电视技术把彩色信息的传送压缩到01.5MHz的范围以内，因此对所需电视技术要求相对降低了许多。若用1MHz的频带宽度传送色度信号，统计数据表明有88%正常视力的人对其图像已认为满意，这就是说他们感觉不出其与实际图像色彩有什么区别；而当用1.3MHz频带宽度传送时，几乎所有参加评审的人对呈现的画面色彩都感到满意。试验结果表明：传送色度信号的频带宽度只需1.3MHz就能满足人们收视彩色电视的要求。,兼容制的要求 所
10、谓“兼容”就是彩色电视广播信号在采取一定的技术措施后，可以在黑白电视广播的原有频道内进行传送，使原来的黑白电视接收机也可以接收彩色电视广播信号，而彩色电视接收机也能接收黑白电视广播信号。我国现行的彩色电视广播是采用与黑白电视广播兼容的PAL制。,为了实现兼容，电视台发出的彩色全电视信号应具备以下特点： 1) 既含有色差信号也含有亮度信号，色差信号代表彩色图像信号，亮度信号代表黑白图像信号。 2) 和黑白电视信号共用同一频道时，频带宽度、图像载频和伴音载频沿用黑白电视制式的规定。 3) 行、场同步信号和扫描制式与黑白电视制式相同。,2. 色差信号,在彩色电视中色差信号有下列三种，即UR-YURU
11、Y0.70 UR 0.59UG0.11UB UB-Y=UB UY 0.89UB0.30 UR 0.59UGUG-Y=UG UY 0.41UG0.30 UR 0.11UB 当传送黑白信号时，URUGUB，则上述三个色差信号都为零，即在传送黑白信号时不存在色度信号对亮度信号的干扰，这就是用色差信号传送图像彩色信息的优点,三个色差信号不是完全独立的，每个色差信号可以由另外两个色差信号求得。根据亮度方程，可以求出三个色差信号之间的关系。 UG-Y=0.51 UR-Y 0.19 UB-Y (2-6)UR-Y=1.97 UB-Y0.37 UG-Y （2-7）UB-Y=2.70 UR-Y 5.36 UG-Y
12、 （2-8） 上述论证表明任何两个色差信号通过矩阵变换可以得到第三个色差信号，所以电视图像的色彩只要传送两个色差信号就行了。彩色电视制式都选择UR-Y 和UB-Y来传送图像的彩色信息。,图4 三基色还原电路,彩色电视信号的编码过程,为了实现兼容的要求，彩色电视台既要传送亮度信号，也要传送色度信号，而占有的带宽又不能超过黑白电视所规定的带宽，这就需要对这几种信号进行特殊的组合处理，这个过程称之为编码。目前，世界上现存三大彩色电视编码制式:NTSC制、PAL制和SECAM制。,1.亮度信号的频谱 亮度信号的频宽为6MHz，但它并没有布满，而是留有许多空隙。当传送图5 a所示的在垂直方向黑白相间的图
13、像时，它的信号波形为矩形脉冲波。矩形脉冲波可用频率等于它的1，3，5，奇次倍的正弦波来合成，这些正弦波称为谐波，如图5b所示，图 b中的点划线和虚线表示一次谐波（基波）和三次谐波。也即是说，矩形脉冲波含有1，3，5，等奇次谐波，它的频谱（即信号的能量按频率分布的图线）如图c所示。,图5矩形脉冲波的频谱a) 垂直方向黑白相间的图像 b) 基波与谐波合成矩形波 c ) 矩形脉冲波的频谱,图6是复杂的活动图像的频谱，它是以行频和它的高次谐波为主谱线、帧频及其高次谐波对称地分布在它的两侧的离散频谱群。由于高次谐波很快衰减，故其能量集中在主谱线附近很窄的频带内。由图可见，在主谱线之间存在大量空隙。如静止
14、的或动作缓慢的图像，空隙为主谱线间距的93.6%。对于活动的图像，空隙小些，也占60%70%。,图6 活动图像的频谱,2.频谱间置原理,既然亮度信号的主谱线之间存在大量间隙，就可以把色度信号插到其间来传播。彩色电视系统需对色度信号进行调幅处理。既是调幅，就要选择一个载波，为了避免与高频发射时的载波相混淆，这个载波称为色副载波fSC。色副载波要求选在1/2行频处，但选在视频频带的低端，会使副载波形成的亮点干扰明显。因此选在高端的283fH与 284fH之间，即 283.5fH，由此得出副载波的频率为fSC=(283.515625) MHz =4429687.5Hz 4.43MHz,色度信号对fS
15、C进行调幅，形成的调幅波主频谱为fSC fH与fSCfH，其高次谐波为fSC 2 fH ，fSC 3 fH等，频谱结构如图7 c所示。把亮度信号和色度信号相加，色度信号刚好嵌置于亮度信号之间的空隙中，如图7 d 所示，这就是频谱间置原理。,a)亮度信号的频谱 b)色度信号的频谱 c)已调色度信号的频谱 d)彩色全电视信号的频谱,色度信号的副载波选在4.43MHz，比视频频带的上限6MHz低1.57MHz。人眼对色彩的分辨力远低于对黑白物体的分辨力，其带宽一般取 1.3MHz，这样色度信号的上限频率为 (4.431.3) MHz =5.73MHz，未超过亮度信号的上限频率 6MHz。由于色度信号
16、对 fSC进行调幅，调幅后的色度信号带宽为1.3MHz。,色度信号的副载波选在4.43MHz，比视频频带的上限6MHz低1.57MHz。人眼对色彩的分辨力远低于对黑白物体的分辨力，其带宽一般取 1.3MHz，这样色度信号的上限频率为 (4.431.3) MHz =5.73MHz，未超过亮度信号的上限频率 6MHz。由于色度信号对 fSC进行调幅，调幅后的色度信号带宽为1.3MHz。,3.平衡调幅,为了提高调制效率和调幅波的信噪比，色度信号对副载波调制过程中是将副载波抑制掉，单输出上边频和下边频，这种调制方式称为平衡调幅，产生平衡调幅波的电路称为平衡调幅器。 将调制信号UB-Y和色副载波信号si
17、nSCt输入到平衡调幅器，在输出端就输出平衡调幅信号 UB -YsinSCt。其输出信号为两输入信号的乘积。故平衡调幅器是一个乘法器，其原理框图如图8所示。,4.正交平衡调幅制（NTSC制）,(1)正交平衡调幅 色度信号有两个：UR-Y和UB-Y。为了不使两色度信号互相干扰而又不增加副载波，可将两色差信号分别调制在频率相同、相位相差90的两个副载波上，再将两个平衡调幅信号相加输出，这就完整地解决了色度信号的编码问题，这种制式称为正交平衡调幅制，即NTSC制。 正交平衡调幅原理框图如图8a所示。,图8 正交平衡调幅a) 原理框图 b) 色度信号的矢量图,PAL制的编码过程,所谓编码，就是把三基色
18、电信号R、G、B编制成彩色全电视信号的过程，编码器就是用来编码的电路。 PAL制编码器的组成如图9所示，基本上与NTSC制编码器相同，只是多了一个PAL开关，它把加于V平衡调幅器的色副载波逐行倒相。其编码过程简述如下：,图9 PAL制编码器原理,4.色同步信号 在传输彩色信号时，由于对V、U信号进行平衡调幅，抑制掉了色副载波分量，因而在接收机必须要恢复副载波，才能从平衡调幅信号中解调出色度信号。接收机恢复的副载波还必须与电视台的副载波同步，因而电视台必须发出色同步信号，以作为接收机恢复副载波的基准。,.选择题 （1）彩色电视图像的色调指的是 ()。a色饱和度 b颜色的深浅 c.主色波长 d掺入
19、白光的多少 （2）当三基色信号的强度R=G=B相等时，屏幕呈现的颜色为 ()。a红色 b绿色 c.蓝色 d白色 （3）白色光的色饱和度为()。a100% b50% c25% d0,.请分析下列颜色相加混色后的色调：（1）红色+绿色=（2）绿色+蓝色=（3）红色+蓝色=（4）红色+绿色+蓝色=（5）红色+青色=（6）黄色+蓝色=（7）紫色+绿色=,.判断下列说法是否正确：（对的在题后括号内打“”，错的打“”） (1) 色调就是指颜色的深浅程度。（ ） (2) 在彩色三要素中，色度指的是色调与亮度。（ ） (3) 可见光就是指人们所说的“红、橙黄、绿青、蓝、紫”这七种光。（） (4) 三基色原理说明了用 R、G 、B 三种基色按相同比例混合时，可得到自然界中绝大多数的彩色。（ ） (5) 利用三基色混合成的彩色的色调和色饱和度由参与混合的三基色的比例决定。（）,
