1、模块三：彩色电视编码与解码原理,授课老师：,彩色电视编码与解码原理,一、教学目的 了解三基色原理及混色原理。 知道黑白、彩色电视兼容性原理。 理解NTSC制彩色电视信号的编码与解码原理。 理解PAL制彩色电视信号的编码与解码原理。 二、预备知识提示 知识点内容光学光的特性、光的颜色调制与解调调幅、平衡调幅、调制信号、载波三角函数运算移相、倒相，乘法器、加法器 三、教学节奏与方式 节拍项目教学内容与教学方式参考学时1色度学重点讲授（1）光与色（2）彩色的三要素（3）三基色原理（4）亮度方程1 边学边议三基色与混色、单色与复色052彩色图像的传送重点讲授（1）彩色图像的分解（2）彩色图像的重现15
2、 边学边议像素053彩色信号编码与解码重点讲授（1）黑白、彩色电视兼容（2）色度信号编码原理（3）色度信号解码原理15边学边议NTSC制与PAL制的调制与解调05,本章内容简介:,色度学知识 彩色图像的传输 彩色电视信号的编码与解码 人眼的视觉特性 三基色原理 亮度方程,一、光和彩色,1、可见光：光是一种以电磁波存在的物质。能引起人眼视觉反应的光称为可见光。,2、可见光性质：,（1）在整个电磁波波谱上只占极小的一段，位于红外线与紫外线之间。,3.1 色度学知识,（2）波长在380nm780nm之间。,3、物体的颜色,（3）波长由长到短分别引起人眼红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色感。即可见光包括
3、七种颜色的光。,（4） 白色光（如：太阳光）是一种复合光，可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种光。,（1）发光物体的颜色：其颜色由该发光体所产生的光谱分布来决定。,色度学知识,（3）标准白光源,亮暗如何（即亮度）,颜色种类（即色调）,颜色深浅（即色饱和度）,二、彩色的三要素,色调和饱和度合称为色度（F）,物体的颜色会照射光源变化而变化，要确定物体的颜色，必须确定照射光源。,A光源、B光源、C光源、D光源。（实际存在的） E光源（假想的等能量白光源）。,色度学知识,数码照像机的白平衡调整,色度既说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。在彩色电视系统中，实质上是传输图像像素的亮度和色度信
4、息。,三、人眼彩色视觉特性,视网膜上光敏细胞,杆状细胞：对亮度敏感，但无色觉。,1、人眼的视觉特性,色度学知识,2、视力范围与电视机屏幕,人眼视觉最 清楚的范围,水平方向的夹角20,垂直方向的夹角15,屏幕宽高比为4:3或5:4 （高清大屏幕一般用16:9）,3、清晰度与图像的扫描行数,电视图像的清晰度与电视系统传送图像细节的能力有关，该能力称为电视系统的分解力。通常用扫描行数来表征电视系统的分解力 。,（1）水平分解力：沿垂直方向的像素点数。,（2）垂直分解力：沿水平方向的像素点数。,色度学知识,4、亮度特性,对同一波长的光，当光的辐射功率不同时，则给人的亮度感觉也不同；辐射功率相同而波长不
5、同，则给人的亮度感觉也是不同的。,视觉灵敏度：同等能量的光源,人眼对 =555nm的黄绿色光的亮度感觉最强。,色度学知识,四、三基色原理和混色法,1、混色效应 ：单色光可以用几种颜色的混合光来等效，几种颜色的混合光可以用其他几种颜色的混合光束等效，这种现象称为混色效应。,2、三基色原理,根据人眼彩色视觉的特性及混色效应，可以从可见光中选取三单色按比例混合，来得到其它单色光。,（1）三基色的选取：R、G、B。,1）人眼对红、绿、蓝比较敏感；,2）红、绿、蓝三基色彼此互为独立；,3）红、绿、蓝三基色混合而成的彩色较为丰富，几乎能 重现自然界中的各种彩色。,色度学知识,（2）三基色原理的内容：,3）
6、混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定。,4）混合色亮度等于三基色亮度之和。,3、混色法：利用三基色按不同比例来获得彩色的方法。,（1）种类：相加混色法和相减单混色法。 （2）相加混色法：以三圆法来说明。,1）三基色按一定比例混合，可以得到自然界中绝大多数颜色；反之，自然界中绝大多数颜色，都可以分解为三基色。,2）三基色必须是相互独立。,色度学知识,红色绿色 = 黄色,绿色蓝色 = 青色,蓝色红色 = 紫色,红色绿色蓝色 = 白色,红色 青色=白色 绿色 紫色=白色 蓝色 黄色=白色,演 示,彩色电视机只需要将要传送的颜色分解为三基色(红、绿、蓝)，然后再分别以对应的一种电信号进行传送就可
7、以了。为了与黑白电视系统兼容，实际传送的是亮度和色差（表示色度）信号。,色度学知识,两种混色光相加结果：,2)时间相加混色法：这种方法利用人眼的视觉惰性，顺序地让三种基色先后出现在同一表面的同一点处，当三种基色光交替出现的速度很快时，人眼感觉到的这三种基色光的混合后的彩色。,1)空间相加混色法：将三基色光分别投射到同一表面的三个相邻且足够近的光点上，当人眼离它们有一定的距离时，人眼就会产生三种基色光混合后彩色感觉。,Ex1:黄色青色=红色绿色绿色蓝色=浅绿色 Ex2:紫色黄色=红色蓝色红色绿色=浅红色,色度学知识,用三基色光配成100%的白光所需三基色的百分比。,Y=0.30R0.59G0.1
8、1B,电压方程形式 ：,亮度方程式在彩色电视技术中有着很重要的地位，它是对彩色图像进行三基色分解及对三基色进行编码传输，解码都必须遵循的一个基本公式。,EY=0.30ER0.59EG0.11EB,五、亮度方程 ：,色度学知识,本课小结： 1、可见及其特性2、彩色三要素3、人眼的视觉特性4、三基色原理与混色5、亮度方式,作 业：1、彩色三要素包括哪些？分别由什么决定？2、什么是三基色？三基色原理包括哪些内容？3、课本,色度学知识,3.2 彩色图像的传输,彩色图像的传输,与黑白电视系统类似，彩色图像的传送也是通过对电视图像的逐点逐行逐帧的扫描进行的。不同的是，在摄像端通过扫描把扫描点所在之处的图像
9、上的彩色转换成与该彩色的显像三基色的三色系数成比例的三路基色信号，而在显像端则将该三路基色信号转换成基色光的亮度。,3.3 彩色电视信号的编码与解码,当今世界还是彩色电视与黑白电视兼容的时代，不能直接传送R、G、B三路信号，需要将其合并为一路，因而出现了多种彩色电视制式。,NTSC制正交平衡调幅制 （美国、日本、加拿大）,PAL制逐行倒相正交平衡调幅制 （英国、澳大利亚、中国）,SECAM制顺序传送彩色与存储制 （法国、苏联）,3.3.1 色差信号,色差信号：由矩阵电路将三基色分别与亮度信号相减得到UB-Y、 UR-Y 、 UG-Y 。黑白电视信号实际上是图像的亮度信号，其带宽为6MHz，而彩
10、色电视系统中的三基色信号带宽也是6MHz，为了与黑白电视兼容，R、G、B三路信号必须经过转换，必须有一个反映图像亮度的信号。在彩色电视系统中，为了传送彩色图像选用了一个亮度信号和两个色差信号。,一、亮度与三基色信号的关系,为了传送彩色图像，从兼容的角度出发，彩色电视系统中应传送一个只反映图像亮度的亮度信号，以 Y 表示，其特性应与黑白电视信号相同。同时还需传送色度信息，常以 F 表示。根据三基色原理，必须传送反映R、G、B三个基色的信息。亮度方程：Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B从式中可以看到在Y、R、G、B这4个变量中，只有3个是独立的。所以只要在传送Y 的同时，再传送三个
11、基色中的任意两个即可。 编码矩阵方程：R-Y=R-(0.30R + 0.59G + 0.11B)=0.70R-0.59G-0.11B 红色差信号G-Y=G-(0.30R + 0.59G + 0.11B)=-0.30R+0.41G-0.11B 绿色差信号B-Y=R-(0.30R + 0.59G + 0.11B )=-0.30R-0.59G+0.89B 蓝色差信号,彩色电视系统信号变换,解码矩阵为:R=(R-Y)+YB=(B-Y)+YG-Y可根据R-Y、 B-Y运算得到：由0.30R + 0.59G + 0.11B-Y=0变形得到 0.30(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)=0 则
12、，G-Y=-0.30(R-Y)/0.59-0.11(B-Y)/0.59,二、传送色差信号的优点,1、兼容效果好,0 = 0.30(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) 所以三色差信号对亮度的贡献为零，色度信号的失真不会影响亮度，因此黑白电视机不受色度干扰。,2、能够实现恒定亮度原理,在不计失真及传输系统非线性的条件下，色差信号受到干扰时，将不会影响亮度信号。传送后的电视信号：Yt、(R-Y)t、(B-Y)t。,显示端的信号为：Rd=(R-Y)t +YtBd=(B-Y)t+YtGd=-0.5(R-Y)t -0.19(B-Y)t +Yt 所以显示的亮度为Yd为：Yd=0.3Rd+0.5
13、9Gd+0.11Bd=Yt对于黑白电视机而言，接收彩色信号时会产生亮度误差，只有接收黑白图像时，亮度误差才为零。,3、有利于高频混合（大面积着色原理）,人眼对黑白图像的细节有较高的分辨力，而对彩色图像的细节分辨力较低，在彩色图像传送过程中，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度成分。颜色的细节部分(对应于信号的高频部分)，可以用亮度信号来取代。这种方法又常称为“高频混合原理”。即大面积着色原理,三、频带压缩,1、频带压缩,经过对许多正常视力的人统计，使用 l MHz带宽传送色度信号，所获得的彩色图像88的人会感到满意，若用2MHz带宽传送色度信号，几乎所有的人都会对所获得的彩
14、色效果满意。我国电视制式规定: 色度信号的频带宽度为1.3MHz。,2、幅度的压缩,如果直接将色度信号与亮度信号进行叠加，将使信号的动态范围超过亮度信号的动态范围而不能满足与黑白电视系统兼容，因而需对色度信号的幅度进行压缩，但又不能压缩过甚造成不必要的衰减，经实验知：U=0.493(B-Y) V=0.877(R-Y),3.3.2 NTSC制色度编码与解码,由于每个基色信息中都含有亮度信息，如果直接传送基色信号，已传送的亮度信号Y(为各基色亮度总和)与所选出的两个基色所包含的亮度参量就重复了，因而使得基色与亮度之间的相互干扰也会十分严重（带宽不同）。所以通常选择不反映亮度信息的信号传送色度信息。
15、,一、平衡调幅,所谓平衡调幅，是指抑制载波的调幅。它与普通调幅波的不同之处在于平衡调幅不输出载波信号。,平衡调幅波的波形和频谱,平衡调幅波不含载波分量 平衡调幅波的幅值正比于调制信号的绝对值。 当调制信号为正时，平衡调幅波与载波相同；调制信号为负时，平衡调幅波与载波反相。 载波信号的正峰点对平衡调幅波取样的波形与调制信号一致。,平衡调幅波的特点：,二、 正交调制解调基本原理,将两个调制信号分别对频率相等、相位相差90的两个正交载波进行调幅，然后再将这两个调幅信号进行矢量相加（频带宽度没有增加），这一调制方式称正交调幅。如果两个调制信号分别对正交的两个载波进行平衡调幅，其合成信号即为正交平衡调幅
16、信号。,彩色矢量图,正交平衡调幅色度信号形成方框图,彩色图像的色度信息全部包含在色度信号的振幅与相角之中，振幅取决于色度信号的幅值，即决定了彩色的饱和度；而相角取决于色差信号的相对比值，即决定了彩色的色调。,三、 色度信号的解调,插入副载波应与发送端副载波同频同相,色度信号解调,（B-Y）解调：,（R-Y）解调：,四、 逐行倒相,PAL制色度信号Fv分量逐行倒相，其规律是：如果第n行的色度信号为：第n+1行色度信号为：所以PAL制色度信号的表达式为：,（一）色度信号的压缩,将两个色差信号分别对两个正交的副载波进行平衡调幅之前，先要进行压缩： U=0.493(B-Y) V=0.877(R-Y)
17、然后U、V分别对两个正交副载波进行调制： 色度信号的振幅和相角分别为：,F= UsinsctVcossct,（2） 逐行倒相原理:,（1）红色差分量逐行倒相：,（二）逐行倒相,（3）逐行倒相色度信号矢量图:,彩条信号矢量图,（三）PAL制相位失真的补偿原理,（1）色度信号无失真：,（2）色度信号有失真的补偿原理,Fn表示第n行的色度矢量，Fn+1表示n+1行的色度矢量。由于行相关，可以认为它们的颜色相同。则矢量Fn和Fn+1的U分量相等，V分量绝对值相等、相位相反，即以U轴对称。如果传输过程中无相位失真，解调时V回原位，可正确地恢复出色差信号。,PAL制克服因相位失真引起色调畸变的实质是用逐行
18、倒相的方法使相邻两行色度信号的相位失真方向相反，解调中再将它们合成，从而得到相位不失真的色度矢量，消除了相位失真带来的色调失真，相位失真仅引起了饱和度下降，但色调末变。,相邻两行色度信号合成的方法一般有两种：一种简单的方法是利用人眼分辨力有限和视觉暂留特性，使屏幕上相邻两行的相位失真相互补偿，得到一种中间的无色调畸变的颜色。,这种简单的PAL制解调方法称为PALS，在相位失真不大时，实现这一方法的电路简单，效果较好。但在相位失真较大时、图像会出现明暗相间并缓慢向上移动的水平条纹。这是由于行顺序效应引起的，此现象亦称为“爬行”或“百叶窗效应”(由于此现象很像百叶窗而得名)，它会影响收看效果。,另
19、一种合成方法是延迟解调，用延迟线把前一行色度信号延迟大约一行的时间(约64s)，然后在合成电路中与本行色度信号合成，从而得到合成的色度信号。这种解码用到延迟线，故称延迟解码，以PALD表示。这里顺便说明一下，PALD与我国电视制式PAL-D( PAL-D /K)含义不同，后者指我国彩色电视制式为PAL制、系统（扫描）方式（或称黑白电视制式）为D(D/K)。PALD与PALS相比，行顺序效应大为减轻。,（四）PAL制编码调制原理,所谓编码，就是把三基色电信号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。,（1）作用：将三基色信号R、G、B编制成彩色全电视信号（FBAS）。,（2
20、）编码过程：如下图所示。,（五）逐行倒相正交同步解调原理,PAL制解码器及解码过程：把彩色全电视信号还原成三基色电信号的过程称为解码，解码是编码的逆过程。 PAL制解码器有许多种，如PALS(简单解码)、PALN (锁相解码)、 PALD(延迟解码)等。其中 PALD应用较广，这种解码器中用超声延迟线构成梳状滤波器，它将色度信号分离为FU和FV 两个色度分离。,（六） 梳状滤波器解码原理（PALD）,为了使梳状滤波器能有效地分离两个色度信号，延迟线的延迟时间要有准确的数值，即延迟后色度信号的副载波相位要与延迟前相同或相反，以实现相邻两行色度信号相减或相加时能分别输出两色度分量。而延迟时间d应选
21、择非常接近于行周期64 s。,根据： fsc=(284-1/4)fH+25Hz 得： TH=283.75Tsc+25Tsc/15625=283.751Tsc 所以可选择d为副载波半周期Tsc/2的567或568倍关系，即：d=567*Tsc/2=283.5Tsc=63.943s 设输入到梳状滤波器第n行色度信号为：F(n)=Usinsct+Vcos sct=Fu+Fv 第n+1行色度信号为：F(n+1)=Usinsct-Vcos sct=Fu-Fv,延迟线输出第n-1、n行色度信号分别为：F(n-1)=-F(n-1)=-Fu+FvF(n)=-F(n)=-Fu-Fv 所以在第n行输入时，相加电路
22、的输出为：F(n)+F(n-1)=(Fu+Fv)+(-Fu+Fv)=2Fv 相减电路的输出为：F(n)+F(n-1)=(Fu+Fv)-(-Fu+Fv)=2Fu 在第n+1行输入时，相加、相减电路的输出分别为：F(n+1)+F(n)=(Fu-Fv)+(-Fu-Fv)=-2FvF(n+1)+F(n)=(Fu-Fv)-(-Fu-Fv)=2Fu,（七）超声玻璃延迟线,组成：一块玻璃片和两个换能器,原理：色度信号电压在输入端换能器上产生机械运动，传给玻璃反射后，传到输出换能器，通过传输的距离得出延迟时间。,参数：延迟时间：63.943s5ns 输入电阻：390工作频率：4.43MHz1MHz插入损耗：-
23、83dB,五、 色同步原理,一、色同步信号的功用,1、作为接收机恢复彩色副载波的相位基准（PAL制、NTSC制）,2、给接收机提供一个识别信号（PAL制）用来识别PAL行、NTSC行,二、色同步信号的矢量图与波形,1、组成： 色同步信号是由812个周期副载波组成的一小串副载波群构成（正弦填充脉冲），这个正弦填充脉冲的周期与行周期相同，位于行消隐的后肩上，前沿滞后行同步脉冲前沿5.6s。色同步信号的幅度与行步脉冲幅度相等。,若以h表示同步脉冲幅度，Fb表示色同步信号，则,2、PAL制色同步信号,PAL制彩色电视接收机在解调色度信号时，需要在PAL行使用 -cosSCt、NTSC行使用+cosSC
24、t副载波。要做到这一点，需要有一个识别PAL行与NTSC行的识别信号，即需要在发送端提供一个附加信息。表现为：PAL行的色同步信号相位是-135；NTSC行的色同步信号相位为+135，平均相位180。所以，PAL制的色同步信号除了为接收机提供恢复副载波所需的频率、相位信息外，还能提供一个PAL行与NTSC行的识别信息，保证了收、发逐行倒相的同步。PAL制色同步信号所含副载波周期数、幅度、出现位置等都与NTSC制相同。我国广播电视标准规定，色同步信号由812个周期的副载波组成，位于行消隐后肩上，起始点距行同步脉冲前沿5.60.1s，峰-峰值等于行同步脉冲幅度，相对于消隐电平上、下对称。,3、色同
25、步信号的形成,1、发送端先产生一个色同步选通脉冲K，重复频率为行频,宽度为2.250.23s(约等于 10个副载波周期)，位置在行消隐的后肩上，起始点距行同步脉冲前沿5.60.1s 。 2、将K脉冲以两种不同的极性分别加到两个色差信号中，与色差信号一起送入平衡调幅器。 3、V色差信号中加入正极性K脉冲(以+K表示)，就可产生色同步信号的V分量(N行为90，P行为-90)，U色差信号中加入负极性K脉冲(以-K表示)，则可产生色同步信号的U分量(180)，两个分量进行矢量合成便形成逐行改变相位的N行为+135、P行为-135的色同步信号。,3.4 标准彩条与电视信号波形,3.4.1 三基色信号波形
26、分析与参数,全电视信号：亮度、色度、复合同步、复合消隐、逐行倒相色同步信号 白色：R=G=B=1 黄色：R=G=1 B=0 绿色：R=0 G=1 B=0 紫色：R=1 G=0 B=1,一、三基色信号波形分析,二、彩色信号的规格及主要参数介绍,1、双数码命名法的彩条信号,与白条对应的各基色电平为1，黑条对应的为0，即“100幅度、100饱和度”彩条，100/100,如最大值为1，最小值为0.5，则为95/100,2、四数码命名法的彩条信号(100-0-100-0),第一个数码表示白条中三基色信号的最大值 第二个数码表示黑条中三基色信号的最小值 第三个数码表示各彩条中三基色信号的最大值 第四个数码
27、表示各彩条中三基色信号的最小值,例：100/0/75/0含义是白条有最大值1，对应黑条有最小值0，而6种彩条三基色最大值为0.75，最小值均为0 彩条信号主要参数：所以，100/0/75/0 相对幅度为75饱和度为100,100%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值,75%幅度、100%饱和度彩条三基色、亮度、色差电平值,3.4.2 标准彩条的亮度与色度信号波形,一、彩条信号的数据计算,Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B,二、标准彩条的亮度与色度信号的波形,根据亮度方程算出Y、R-Y、B-Y 例如，在100/0/100/0彩条中，黄色对应R=G=1 B=0,R-Y=
28、0.11 B-Y=-0.89 同理可以算出各色调的亮度、色差信号,分析：亮度级别是递减，但非等级差，含有直流分量的正极性亮度信号。色差是交流信号,3.4.3 彩条图形的色度信号波形特点与矢量,一、彩条色度信号的矢量,根据彩条信号参数，利用公式 可分别求得白、黄、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号、亮度与色度的合成信号等数据，并绘出的各信号波形。,未经压缩的彩条信号 Y+Fm 所得彩色视频信号的电平变化范围已大大地超过了黑白视频信号的电平变化范围。对100幅度来压缩彩条信号来说，黑白电平的变化范围应在0到1之间。由表中数据可见，黄条和青条的最大值分别超过白色电平79和46；红
29、条和蓝条的最小值又分别低于黑条电子40和79。,电视标准规定，同步信号幅度最高(100) ，以其值为参考。黑白电视中，黑色电平为75，白色电平为10。在彩电中，黑色电平为76，白色电平为20。按照这一规定，图2-11(c)中，图像载波幅度20处为白电平，相对视频信号幅度为1V；图像信号幅度76处为黑电平，相对视频信号幅度为0V。对已调信号，当载波幅度为0处，相对视频信号幅度为1.36V，而载波幅度为100处(即同步顶)，其相对视频信号的幅度应为-0.43V。显然，蓝条和红条不但超过了黑色电平，而且超过了同步头电平，这将破坏同步，使重现图像不稳。,黄条和青条由于幅度过大，低于白色电平，以至于小于
30、零，这将会使发射机产生过调制；不但会使重现图像严重失真，而且还会造成伴音中断。因为电视接收机中，第二伴音中频是靠图像中频和伴音中频差产生的，过调制将使图像载波有时为0，当然这是不能允许的。,为了解决这一问题，需要对色度信号进行适当压缩。办法是，在100幅度彩条信号情况下，取峰值白色与黑色电平之差为1；彩条信号的最大摆动范围不得超过峰值白色与黑色电平以外0.33。,复合信号的最大摆动范围限制在-0.331.33范围内。这是因为实际上高亮度、高饱和度的彩色是很少见的，因而幅度超过l，接近1.33的情况不多，即使出现这种情况也不会出现过调制。压缩系数的计算：,设(B-Y)和(R-Y)压缩系数分别为x1和x2，则压缩后黄、青视频信号幅度应满足下式关系,带入黄条数据：,带入青条数据：,联立求解得：x1=0.493、x2=0.877。,根据压缩系数可以计算出各彩条的有关数据，利用V/U所计算的相角绘制出各彩条信号的矢量图,彩条矢量的方位表示色调。然而，彩条矢量模（色度信号的振幅）虽然可以反映色饱和度，但在相同色饱和度下，不同色调的矢量模并不相同。,彩条矢量图： 1. 它以矢量方位表示色调； 2. 以矢量大小表示饱和度。,
