1、电 视 原 理,主 讲：杨 洁电 话：13126110178,第1章 电视基础知识,1.1 电子扫描1.2 黑白全电视信号,1.1 电子扫描,传输语音信号的无线电广播,主要包括发射与接收两大部分。在发端主要完成将语音变为电信号(称音频信号),并经放大、调制,然后由天线以高频电磁波形式发射出去。收端则正好相反,将收到的高频电磁波经高放、解调、音频放大,最后送扬声器发出声音。图11给出了无线电语音广播原理图。,图11 无线电语音广播原理图,电视广播有开路与闭路之分。开路系统,即无线电视广播系统,其原理与语音广播类似,但无论是发端还是收端,都远比语音广播复杂。 闭路电视系统所不同的只是传送电视信号由
2、同轴电缆完成而已。,图12 无线电视广播系统原理方框图,1.1.1 像素的概念像素：既是空间函数，又是时间函数。一个帧处理过程：,每帧由许多像素组成，传送时同时把这些不同位置具有不同亮度的信号转换为电信号；实际不可能实现；顺序传送,像素的传送具有以下两个特点: 第一是要求传送速度快。 第二是传送要准确。时间，位置都要同步。,扫描过程：将组成一帧图像的像素，按顺序换成电信号的过程。行从左到右；场从上到下。由电子枪进行。,图13 顺序传送像素示意图,1.1.2 光电与电光变换 电视图像的传送,在发端是基于光电转换器件,在收端是基于电光转换器件。实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管。,1. 摄
3、像管与光电转换 图14为光电导摄像管,属电真空器件。它主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。其工作原理如下所述。,A 光电靶：一幅图像上个像素的不同亮度表现为靶面上各单元的不同电阻值(亮阻值小；暗阻值大)。B 回路：电子束接触靶面某单元时，阴极、信号板（靶）、负载、电源构成一个回路。C 结论：负载上得到与图像各像素亮度对应的电信号，完成将图像分解为像素，又将像素转变为电信号。,图14 光电导摄像管,图15 光电转换原理示意图,2. 显像管与电光转换 如图16所示,在接收端重现图像的是显像管。显像管也是电真空器件,主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。其工作原理如下。 A 电子束轰击荧光屏
4、，荧光粉发光亮度与电子束携带能量成正比。B 荧光屏发光强度受图像信号控制。C 屏幕重现图像亮度正比于所摄图像亮度。,这里需要说明的是:对于摄像管来说,光电转换特性可近似认为是线性的;而显像管电光转换特性则是非线性的。显像管的显示亮度(以Bd表示),与其栅、阴极间电压(以ugk表示)的次方成正比例,即:,(11),显像管,电子枪,如果图像信号由发送端传到接收端的传输过程中未产生非线性失真,考虑到显像管电光转换的非线性,为保持重现图像与原景像亮度成正比,则需在摄像端预先将图像信号电压开次方,即 式中,u0代表摄像电压,B0为摄像亮度,K0为比例常数。经预失真校正(常称为校正),重现亮度Bd则为,(
5、12),(13),1.1.3 电子扫描 图像的分解与重现都是通过电子扫描来实现的。 1. 逐行扫描 在电视系统中,摄像管和显像管的外面都装有偏转线圈,当线圈中分别流过如图17所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场,在这两个磁场的共同作用下,使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。,逐行扫描,帧逆程扫描,图17逐行扫描电流波形(a)行扫描电流波形; (b)场扫描电流波形,由于在图17所示的锯齿波电流作用下,电子束产生自左向右、自上而下,一行紧挨一行的运动,因而称其为逐行扫描。 (1)电子束偏转的基本原理。 (2)扫描电流的非线性对显示图像的影响。 要求：电流线性良好；
6、 有足够的幅度。,图18 光栅形状(a)只有行扫描; (b)只有场扫描; (c)行、场扫描同时存在,图19 偏转线圈结构示意图(a)行偏转线圈; (b)场偏转线圈,图110 扫描电流与重现图像的关系(a)线性扫描,图像无失真;(b)行扫描非线性,产生左伸、右缩的非线性失真;(c)场扫描非线性,产生上拉、下压的非线性失真,图111扫描电流幅度不足时产生的失真 (a)行扫描幅度小;(b)场扫描幅度小,2. 隔行扫描 所谓隔行扫描,就是在每帧扫描行数仍为625行不变的情况下,将每帧图像分为两场来传送,这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1,3,5,奇数行;偶数场传送2,4,6,偶数行。 优点：减小闪
7、烁感（临界闪烁频率46.8Hz）；图像信号带宽仅为逐行扫描的一半（5.5MHz左右）。 要求：相邻两场的扫描光栅必定均匀嵌套，且相邻两帧的光栅必定重合。所以，每帧扫描总行数为奇数。,隔行扫描,隔行扫描(a) 奇数场； (b) 偶数场； (c) 嵌套后的一帧图像,图112 隔行扫描光栅及电流波形(a)每帧光栅;(b)行扫描电流波形;(c)场扫描电流波形,第一场(奇场),从左上角开始按11,33,顺序扫描,直到最下面的中点a为止,共计 行,完成了第一场正程扫描。 第二场(偶场),扫描从a点开始,先完成第一场扫描留下的半行a11行的扫描,接着完成22,44,等偶数行的扫描。,我国广播电视扫描参数:我
8、国广播电视采用隔行扫描方式，其主要扫描参数如下： 行周期TH=64 s； 行频fH=15 625 Hz； 行正程TSH=52 s； 行逆程TRH=12 s； 场周期TV=20 ms； 场频fV=50 Hz； 场正程TSV=287TH+20(s)=18.388 ms18.4 ms； 场逆程TRV=25TH+12(s)=1.612 ms1.6 ms； 帧周期TZ=40 ms；每帧行数Z=625行（其中：正程575行）； 帧 频fZ=25 Hz；每场行数312.5行（其中： 正程287.5行）。,1.2 黑白全电视信号,1.2.1 主体信号图像信号 1. 图像信号及其特征 图像信号是由摄像管将明暗不
9、同的景像转变而得的电信号。 包括正极性图像信号和负极性图像信号。 由图113可见,图像信号具有如下特征: (1)单极性含直流,即图像信号具有平均直流成分,其数值确定了图像信号的背景亮度。,(2)对于一般活动图像,相邻两行或相邻两帧信号间具有较强的相关性。 2. 图像信号的基本参量 亮度、对比度和灰度是电视图像转换中三个十分重要的参量。图像质量的好坏,可由它们给予完整的描述。 所谓亮度,通常是指单位面积的光通量。 亮度常以B表示,光通量的单位是烛光(cd),亮度的单位是尼特(nit)或熙提(sb),它们之间的关系是:,由于1m2=104cm2,所以 1sb=104nit 对比度是客观景物最大亮度
10、Bmax与最小亮度Bmin之比。当以K表示对比度时,有 灰度，亮度级差或称亮度层次。,(14),图像信号,图 1-11 图像信号,图像信号的幅度在电视信号相对幅度的75以下，一般在12.575之间。其中，幅度为12.5%的电平称之为白电平，幅度为75%的电平称之为黑电平。图像信号是以64s为周期的周期性信号， 其中每行显示52 s。,图113图像信号(a)正极性亮度递减信号;(b)负极性亮度递减信号;(c)一般的负极性图像信号,1.2.2 辅助信号 1.复合同步信号 电视系统中,收、发扫描必须严格同步,即收、发扫描对应的行、场起始和终止位置必须严格一致,否则就会出现画面失真或不稳定现象。 行场
11、同步分别在行与场逆程期间传送。行同步频率为15625Hz，场同步频率为50Hz。行同步脉冲宽度为4.7s，场同步脉冲宽度为160s，所以行场同步分离为宽度分离。 位置：叠在消隐之上，比消隐信号高出25%。 图114(a)为发端图像,图(b)为相位不同步的情况。,收送不同步造成接收图像异常,同步的重要性,行扫描不同步,场扫描不同步,2. 行、场同步信号,行、 场同步信号,图116同步分离原理框图及波形(a)分离电路原理图; (b)各点波形,2. 复消合隐信号 作用：消除回扫线。(图1-15)行消隐频率15625Hz，脉冲宽度12s，幅度为整个视频信号的75%（相当于黑电平）。场消隐频率50Hz，
12、脉冲宽度1612s，幅度同行消隐。,图115 复合同步与复合消隐信号(a)复合同步信号;(b)复合消隐信号; (c)复合同步与复合消隐信号,3.槽脉冲和均衡脉冲 图115(a)告诉我们,行同步脉冲与场同步脉冲具有相同的幅度,不同的宽度,因而分离行、场同步脉冲的方法一般是借助于宽度分离电路微分与积分电路的组合,如图116所示。 槽脉冲：保证场同步脉冲期间可以检测出行脉冲。宽度与行同步脉冲相同，4.7s。 均衡脉冲：保证相邻两场光栅均匀嵌套。每个场同步脉冲前、后各有5个2.35s宽的脉冲，为前、后均衡脉冲。,复合同步信号及其分离,均衡后的场同步脉冲信号,1.2.3 黑白全电视信号 1.全电视信号波
13、形 将以上介绍的图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加,即构成黑白全电视信号,通常也称其为视频信号,其波形如图118所示。,全电视信号有如下三个特点： 脉冲性。 周期性。 单极性。,全电视信号中各辅助脉冲参数如下： 行消隐脉宽： 12 s 行同步脉宽： 4.7 s场消隐脉宽： 1612 s 场同步脉宽： 160 s槽脉冲脉宽： 4.7 s 均衡脉冲宽： 2.35 s,全电视信号,2.全电视信号的频谱 所谓频谱,就是电信号的能量按频率分布的曲线。全电视信号的频谱,应是它所包含的主体信号(图像信号)与辅助信号的频谱之和。 图像信号：0-6MHz，不连续，梳状。,图119 图像信号的频
14、谱,归纳起来,图像信号的频谱具有如下特征: (1)以行频及其谐波为中心,组成梳齿状的离散频谱。 (2)随着行频谐波次数的增高,谱线幅度逐渐减小。 (3)实践证明,无论是静止或活动图像,围绕行谱线分布的场频谐波次数不大于20(即图119中m20)。按m=20计算,各谱线群所占频谱宽度仅为2mfv=202050=2kHz,相邻两主谱线间距为15.625kHz,可见各群谱线间存在着很大的空隙。,图120 各辅助脉冲信号的频谱（频谱与脉冲宽度有关）,图121 全电视信号频谱示意图,1.2.4 视频图像信号的频带宽度,1. 一帧图像的像素 全电视信号的频带宽度与一帧图像的像素个数和每秒扫描的帧数有关。我
15、国的电视扫描行数为625行，其中正程575行，逆程50行。因此，一帧图像的显示扫描行数为575行。也就是说, 一帧图像由575行像素组成。一般电视机屏幕的宽高比为43， 因此一帧图像的总像素个数约为：,2. 图像信号的频带宽度 图像信号包括直流成分和交流成分。 其中直流成分反映图像的背景亮度，它的频率为零，反映了图像的最低频率。交流成分反映图像的内容，图像越复杂，细节变化越细，黑白电平变化越快，其传送信号频率就越高。 显然图像信号频带宽度等于其最高频率。 如果播送一幅左右相邻像素为黑白交替的脉冲信号画面，显然这是一幅变化最快的图像，每两个像素为一个脉冲信号变化周期，而我国电视规定一秒钟传送25
16、帧画面，因此该图像的最高频率为,1.2.5 图像的尺寸与几何形状,1. 图像的尺寸 根据人眼的特性，视觉最清楚的范围约为垂直夹角15、水平夹角20的矩形面积。因此，世界各国电视屏幕都采用矩形，画面的宽高比为43或54。随着电视技术的进步，帧型向大屏幕方向发展，出现宽高比为53、 53.3、 169等尺寸。 显像管屏幕的大小常用矩形对角线尺寸来衡量，一般家用电视机屏幕对角线长度为2374 cm不等。人们习惯用英寸表示，如9、14、18、21、25英寸和29英寸等，它们的对角线分别为23、35、47、53、64 cm和74 cm等。,2. 图像的几何相似性,（1） 非线性失真,图 1-8 电视图像
17、的非线性失真(a) 不失真； (b) iYH失真； (c) iYV失真,（2） 几何失真,图 1-9 电视图像的几何失真(a) 枕形失真； (b) 桶形失真； (c) 平行四边形失真,1.3 彩色的基本概念,1.3.1 彩色和光密不可分 1.可见光的特性 光学理论告诉我们,光是一种以电磁波形式存在的物质,人眼可以看见的光叫可见光,它是波长范围为380nm到780nm之间的电磁波,如图122所示。,图122 电磁波波谱及可见光光谱,从电视角度看,可见光有如下特性: (1)可见光的波长范围有限,它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。 (2)不同波长的光呈现出的颜色各不相同,随着波长由长到短,呈现的颜
18、色依次为:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,见图122。 (3)只含有单一波长的光称为单色光;包含有两种或两种以上波长的光称为复合光,复合光作用于人眼,呈现混合色。,(4)太阳发出的白光中包含了所有的可见光,若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上,太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱,如图123所示。,图123 太阳光的棱镜分解,2. 物体的颜色（1）A 自身发光体；B 反射或透射（2）不能从看到的颜色来判断光谱的分布3. 色温和标准光源(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。 各标准白光源的特点如下:A光源:相当于2800K钨丝灯所发的光。偏橙红 B光源:
19、相当于中午直射的太阳光。 C光源:相当于白天的自然光。偏蓝D光源:相当于白天平均照明光。PAL制标准光源E光源:是一种理想的等能量的白光源。,图124 标准白光源的光谱,A光源:相当于2800K钨丝灯所发的光。偏橙红 B光源:相当于中午直射的太阳光。 C光源:相当于白天的自然光。偏蓝D光源:相当于白天平均照明光。PAL制标准光源E光源:是一种理想的等能量的白光源。,1.3.2 视觉特性 1. 相对视敏曲线 物质有选择地吸收、反射或透射不同波长的光,是物体固有的物理特性,它决定了该物体的颜色;而人们感觉到光的亮度和光的颜色却是人的眼睛的生理结构特点所造成的。 2. 人眼的亮度感觉 亮度感觉,即包
20、括人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观亮度感觉。,图125 相对视敏曲线,根据以上分析可以得出如下结论: (1)人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当宽,但当眼睛适应于某一平均亮度后,能分辨的亮度范围就比以主观感觉“亮”与“暗”为界的范围缩小了。例：晚上看书要开灯。 (2)在不同的环境亮度下,同样的亮度,给人的主观亮度感觉却完全不同。例：手电亮度 (3)当人眼适应于不同的平均亮度后,可分辨的亮度范围也不相同。,3. 人的彩色感觉 锥状细胞又分为三类,分别称为红敏、绿敏和蓝敏。如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋,而另外两种光敏细胞仅受到很微弱刺激,我们感
21、觉到的便是某一种色光。,1.3.3 彩色三要素和三基色原理 1.彩色三要素 对于彩色光通常可由亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述,这三个量常被称为彩色三要素。 2.三基色（不唯一） 三基色原理告诉我们: (1)三基色,必须是相互独立的,即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而产生。 (2)自然界中的大多数颜色都可以用三基色按一定比例混合得到。,(3)三个基色的混合比例,决定了混合色的色调和饱和度。 (4)混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。 3. 混色方法 如图126所示。由图可见: 红光+绿光=黄光 红光+蓝光=紫光(品光) 绿光+蓝光=青光 (15) 红光+绿光+蓝光=白
22、光,图126 相加混色圆图,实现相加混色还有如下几种方法: (1) 空间混色法。 (2) 时间混色法。 (3) 生理混色法。 4.色度三角形 三基色混合所产生的各种颜色,可以由色度三角形予以说明,如图127所示。,图127 色度三角形,1.3.4 计色制及色度图 1.配色实验 配色实验可通过比色来进行,其示意图如图128所示。 从基色调节装置上分别读出各个基色的数量,由此可写出配色方程式 F=R(R)+G(G)+B(B) (16),图128 配色实验示意图,对于等能白光,R=G=B=1,即 FE白=1(R)+1(G)+1(B) (17) 其光通量为 FE白=11+14.5907+10.0601
23、=5.6508lm (18) 式(16)的配色方程式,适合于配制一切彩色,只不过对于不同彩色三色系数不同而已。,3. 亮度方程 在XYZ计色制中,只有Y代表亮度,故可方便地给出彩色亮度与三基色的关系式,由式(112)可知, Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B (114) 以C白光为标准白光源的NTSC制彩色电视制式,其亮度方程为 YN=0.229RN+0.587GN+0.114BN (115) 以D65光为标准白光源的PAL制彩色电视制式,其亮度方程式为 YP=0.222RP+0.707GP+0.071BP (116),为了书写方便,一般应用中,略去显像三基色系数下标,并被近似
24、地写为 Y=0.3R+0.59G+0.11B (117),1.3.5 彩色图像的摄取与重现 1.彩色图像的摄取 由三基色原理知,要实现彩色电视发送,较实用的方法就是首先要将一幅彩色图像分解为红、绿、蓝三幅基色图像,以获得三基色信号电压R、G、B(系ER、EG、EB的简化写法)。 三种基色光,分别由三个黑白摄像管进行光电变换,摄像管本身并无辨色能力,它只能辨别亮度,色度则由三者的比例关系决定。,图131 彩色画面的分解,图132 基色图像及基色信号(a)被摄彩条图像;(b)红基色图像; (b)红基色电信号;(c)绿基色图像; (c)绿基色电信号;(d)蓝基色图像;(d)蓝基色电信号,2. 彩色图
25、像的重现 彩色显像管与黑白显像管不同,黑白显像管所作用的图像信号只有亮度信号,亮度信号控制电子束的强弱,在荧光屏上激发出不同的亮光,因而形成黑白图像。彩色显像管与黑白显像管的最大区别在于它有三个电子束,分别对应红、绿、蓝,且彩色荧光粉不是平涂在荧光屏上,而是按红、绿、蓝各一点组成的三色荧光点为一组,以品字形排列布满全屏,荧光屏的后面设置有荫罩板。图133(a)、(b)分别给出彩色显像管及荫罩板作用简图。,图133 彩色显像管及荫罩板简图(a)彩色显像管简图;(b)荫罩板作用简图,自会聚管的荫罩板和荧光粉排列,荫罩孔按“品”字规律交错排列, 使荫罩板的机械强度及抗热变形性能增强。荧光粉为条状点,
26、 可改善色纯度(单色光的纯净程度叫色纯度), 减小磁场的影响。 在没有荧光粉的空隙处涂上黑色石墨, 以吸收杂散光, 提高图像对比度。这一技术称为黑底技术。,彩色电视传送的基本过程,图134 彩条信号重现示意图,1.3.6 系统分解力与图像清晰度 电视系统传输图像的质量与系统分解力有关,所谓分解力是指电视系统传送图像细节的能力。而图像清晰度是观察者主观感觉到图像细节清晰的程度。分解力与清晰度二者是紧密相关的,是从主、客观两个方面对同一个问题的阐述和评价。,1.垂直分解力 图像垂直分解力取决于系统沿垂直方向所能分解黑白相间的条纹数,它受扫描正程行数Z的限制。,图135 垂直分解力与扫描的关系(a)
27、原图像; (b)经摄制传输最终显示图像,这种黑白相间的、整齐排列的图像是罕见的,一般图像内容都具有随机性,从平均的角度看,垂直分解力介于正程的扫描行数Z和一半有效行数之间,如果垂直分解力以M表示时,则 M=KZ (118) 式中,K是一个小于1的系数,我国电视系统常取K=0.76。将我国的电视参数Z=575代入式(118),可求得 M=0.76575=437,2. 水平分解力 图136是一幅由许多黑白相间的条纹所组成的图像,与之对应的电视图像信号将是图(b)所示的许多矩形脉冲波。图(b)的波形是在电子束截面积很小,相对于图像细节变化可以忽略不计时,才会得这样的波形。,图136 垂直条纹及相应信
28、号波形(a)垂直条纹图像;(b)电子束截面积相对可忽略的情况;(c)电子束截面积与条纹宽度可比拟的情况,图137 电子束孔径对图像细节影响(a)边界效应;(b)图像细节及电压波形,实践证明,水平分解力与垂直分解力相当时,系统传输的图像质量最佳。考虑到显像管的幅型比(4/3或16/9),则水平分解力N为 N=KM (119) 式中,K表示幅型比。N即表示一行内所必须分解的黑白条纹数。当然,要求视频带宽必须适应N的要求。 实验证明，在同等长度条件下，当水平分解力等于垂直分解力时图像质量最佳。由于一般电视机屏幕的宽高比为43。 故有效水平分解力N可根据式（1-4）求出：,3 行、 场扫描频率的确定与
29、图像信号的频带宽度,图 1-4-1 垂直扫描示意图,图 1-4-2 水平扫描示意图,场扫描频率的确定 为了获得图像的连续感、 克服闪烁效应并不使图像信号的频带过宽，我国电视标准规定帧频为25 Hz，采用隔行扫描，场频为50 Hz。这样的场频恰好等于电网频率，还可以克服当电源滤波不良时图像的蠕动现象。,将电子束从图像上端扫到下端的时间称为场扫描正程时间, 规定为TVs=18.4ms, 将电子束从图像下端回扫到上端的时间称为场扫描回程时间或场扫描逆程时间, 规定为TVr=1.6 ms。,行扫描频率的确定,图 1-4-3 人眼分辨图像细节能力的示意图,我们假设，人边看两点边后退, 当退到距离L时,
30、两点将要混成一点但还未混成一点时的两点入射人眼的射线夹角为, 称为分辨角, 由图可得出:,设人眼能分辨图像细节的行数为Z, 则,经实验, 正常人的眼分辨角为12， 取=1.5。,假设人眼的视觉清楚区域的两点射线夹角为，当为15左右时, 人的观看距离一般是L=4h, 代入上式, 可得,我国电视标准取扫描的有效行数Z为575行。这575行是电子束对“电阻像”从上到下的扫描行数(也可以说是电视系统分解图像的行数)。 还要考虑到电子束从“电阻像”下端回扫到上端所用的行数, 回扫行数一般取50行。 这样, 电子束对光电靶扫描从上端扫到下端, 由下端回扫到上端的一个周期扫描总行数为575+50=625(行
31、)。因为每秒扫描25帧图像, 所以行频fH为,fH=62525=15 625 Hz,行周期TH为,将电子束由左端扫描到右端称为行扫描正程THs, 规定THs=52 s; 将电子束由右端回扫到左端称为行扫描回程或行扫描逆程THr, 规定THr=12s。,图像信号的频带宽度 一幅图像本身是没有什么频带可言的, 可是图像信号照在光电靶上形成“电阻像”, 用电子束进行行、 场扫描摄取每个像素时产生了频带的概念。 根据人眼在视觉清楚区水平扫描视角和垂直扫描视角比例为43来估计, 一幅图像最多能分解成多少像素呢？ 设对一幅图像有效扫描的行数即为人眼能分辨图像细节的行数Z, 一幅图像最多能分解的像素为N, 则,设传送一个像素所需的时间为t, 则,最复杂的图像不过于任意相邻两个像素为一黑一白。 设一黑一白的像素的周期为T, 则,由此可得出一幅最复杂的图像电信号频率fmax为,一幅最简单的图像是像素全为黑或全为白, 这时fmin=0, 则一幅图像变换成电信号的频带宽度fB为,这是各国电视广播系统图像信号频带宽度公式。 例如, 我国电视广播系统:,又例如, 日本电视广播系统:,
