第二章電視傳像基本原理

1、第二章電視傳像基本原理 第二章 電視傳像基本原理 主要內(nèi)容： n圖像傳送及接收掃描原理 n電視圖像掃描技術(shù) n視頻圖像信號(hào) n數(shù)字化 第二章電視傳像基本原理 2.1 電視系統(tǒng)組成原理 n色的問題已經(jīng)解決，著手考慮系統(tǒng)，怎 樣把復(fù)雜的圖形、變化的圖象傳送出去。 第二章電視傳像基本原理 2.1.1 順序傳送原理 n光線的強(qiáng)弱 電壓高低 n各處強(qiáng)度并不相等，既是時(shí)間的函數(shù)， 又是空間的函數(shù)（四維，三組）： 亮度 L = fL（x，y，z，t） 色調(diào) H = fH（x，y，z，t） 飽和度 S = fS（x，y，z，t） n先考慮黑白平面圖象（三維，一組）： L = fL（x，y，t） n沒法用“一個(gè)

2、”時(shí)變電壓來表示。 第二章電視傳像基本原理 一、分解為象素 n好在圖象可以由有 限個(gè)點(diǎn)組成 物質(zhì)是不連續(xù)的，由 顏料的顆粒決定 人眼分辨率不高，不 必重現(xiàn)無數(shù)個(gè)點(diǎn) n廣播電視約40-50萬 個(gè)點(diǎn) 第二章電視傳像基本原理 設(shè)計(jì)系統(tǒng) n光電管產(chǎn)生電壓，發(fā)光管顯示 第二章電視傳像基本原理 二、順序傳送 n每個(gè)象素一條信道不現(xiàn)實(shí) n視覺有惰性，輪流傳送，輪流復(fù)制 這樣空間的象素被分布到時(shí)間上了 第二章電視傳像基本原理 n轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)當(dāng)同步，保證象素一一對(duì)應(yīng) 在相應(yīng)的位置做上記號(hào)？ n傳送原理：把圖象分解為象素，順序傳送 n黑白只需一個(gè)信號(hào)電壓 彩色信號(hào)有三路電壓：R、G、B？ L、H、S？ 第二章電視傳

3、像基本原理 改進(jìn) n上述系統(tǒng)太粗糙、太慢： 光電管 攝象管 發(fā)光管 顯象管 同軸開關(guān) 同步機(jī)控制電子束 轉(zhuǎn)換 電子束掃描 第二章電視傳像基本原理 2.1.2 光電轉(zhuǎn)換原理 一、攝象 以光導(dǎo)管為例： 某些材料在光 照下能改變電 阻率 第二章電視傳像基本原理 n電子束掃過各個(gè)象素，光照不同，電導(dǎo) 不同，電流不同，R上電壓降不同。 n接收機(jī)按照這個(gè)信息重新描畫出圖象 n上面的信號(hào)亮度越大，電壓反而越低， 叫負(fù)極性視頻信號(hào) 第二章電視傳像基本原理 CCD 攝像 n用半導(dǎo)體材料制成許多像素 n在光照下各像素積累電荷 n用移位寄存器的方法將電荷順序讀出 n（詳見第五章） 第二章電視傳像基本原理 二、顯象

4、用來復(fù)制圖象 n電子槍：按亮度信號(hào)發(fā)射電子，產(chǎn)生象素 n偏轉(zhuǎn)線圈：按次序?qū)⑾笏卦诳臻g排列 n熒光屏：受激發(fā)光 n與音頻信號(hào) 相比，多了 空間信息， 需正確排列。 第二章電視傳像基本原理 2.1.3 彩色攝象與重現(xiàn) 三要素不好拍攝，拍三基色 第二章電視傳像基本原理 彩色顯象 n形成三色分象 n合成彩圖 投影電視 第二章電視傳像基本原理 彩色顯象管 n三支電子槍，按各自信號(hào)發(fā)射，打各自的粉 n用蔭罩板防止互相干擾 品字型蔭罩管 第二章電視傳像基本原理 一字型蔭罩管 第二章電視傳像基本原理 2.2 電視掃描原理 n拾取象素的次序有許多方式，電視系統(tǒng) 采用勻速、單向、直線掃描 （雷達(dá)系統(tǒng)采用圓周掃描）

5、 n電子束垂直運(yùn)動(dòng)：場掃描(V) vertical n電子束水平運(yùn)動(dòng)：行掃描(H) horizontal n水平、垂直聯(lián)合運(yùn)動(dòng)形成光柵 第二章電視傳像基本原理 電子束偏轉(zhuǎn) 加電磁力 n電場力-稱為靜電偏轉(zhuǎn) n磁場力-稱為磁偏轉(zhuǎn)方式 顯像管中采用磁偏轉(zhuǎn)方式。即在顯像管管頸 外面套上一對(duì)使電子束產(chǎn)生水平（行掃描） 運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)線圈和一對(duì)使電子束產(chǎn)生垂直 （場掃描）運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)線圈。 第二章電視傳像基本原理 偏轉(zhuǎn)線圈 第二章電視傳像基本原理 以行掃描為例 磁場 電子束 負(fù)最大 最左邊 漸小 向中 O 正中間 漸大 向右 正最大 最右邊 第二章電視傳像基本原理 2.2.1 逐行掃描 n每幀圖象分解為若干（

6、Z）行 從上到下逐行掃過 n所以Tv = Z TH fH = Z fv 第二章電視傳像基本原理 掃描光柵 第二章電視傳像基本原理 掃描參數(shù) n我國規(guī)定：行逆程占18% 場逆程占8% n當(dāng)掃描行（Z）足夠多，掃描線近似水平 n要使圖象連續(xù) 25幀/秒 要使圖象不閃爍 40-50次/秒 每秒總信息量5040萬！ 第二章電視傳像基本原理 2.2.2 隔行掃描 n要達(dá)到一定的清晰度，要40-50萬個(gè)象素 n要人眼看起來不閃爍，要重復(fù)40-50次/秒 n能不能讓25幀圖象閃爍50次？ 隔行掃描 未必要從上到下挨個(gè)傳送 例：抄文件，先寫1、3、5、7、9行 再寫2、4、6、8、10行 第二章電視傳像基本原

7、理 隔行掃描優(yōu)點(diǎn) n大面積閃爍 行間閃爍 節(jié)省帶寬一半，各國無例外采用 n為了保證隔行掃描的正確性，每幀應(yīng)分解 為奇數(shù)行 Z = 2n + 1 第二章電視傳像基本原理 隔行掃描光柵 n為什么要奇數(shù)行，討論每場光柵的起點(diǎn)： 從水平方向看 每場開始處必定偏離半行 從垂直方向看 第二場整行開始處，離屏幕頂部遲半行時(shí)間的高度 第二章電視傳像基本原理 隔行掃描缺點(diǎn) n行間閃爍：高亮度、近距離、大視野尤著 n并行 真并：垂直同步不良時(shí) 假并：看垂直運(yùn)動(dòng)物體時(shí) n垂直邊沿鋸齒化：看水平運(yùn)動(dòng)物體時(shí) n爬行：傳輸失真時(shí) 第二章電視傳像基本原理 上一課主要內(nèi)容 n彩色傳輸方法（分解為三基色） n 電視系統(tǒng)基本原理

8、：分解為像素，順序 傳送 n攝像、顯像基本原理 n電子束掃描 n逐行掃描 n隔行掃描（優(yōu)缺點(diǎn)？） 第二章電視傳像基本原理 2.2.3 同步與消隱 n電視信號(hào)組成： 圖象信號(hào) 黑白信號(hào) 消隱信號(hào) 同步信號(hào) 第二章電視傳像基本原理 一、消隱信號(hào) n作用：消去電子束回頭時(shí)的軌跡，以免干擾 n方法：加周期性的黑電平，使電子束截止 我國規(guī)定：每秒25幀（50場），每幀625行 算出：每場20ms 逆程占 8%1600s 每行64 s 逆程占18%12s 第二章電視傳像基本原理 二、同步信號(hào) n掃描后，象素按時(shí)間軸排列，何處“另 起一行”，何處“另起一頁”？ n如果做不到，則圖象扭曲、翻滾、甚至 不成圖象

9、 （一千塊兒童智力拼圖？） 第二章電視傳像基本原理 不同步圖象舉例 n例一：垂直掃描正確，水平掃描太快； n例二：水平掃描正確，垂直掃描太快； n例三：行頻正確，相位差180度； n例四：場頻正確，相位差180度； n例五：水平、垂直都差180度。 第二章電視傳像基本原理 第二章電視傳像基本原理 所以必須嚴(yán)格同步 n最好用同一條信道傳送同步信號(hào)，要與圖象、 消隱信號(hào)有區(qū)別：幅度10：7 n行、場還要有區(qū)別：寬度4.7s、160s 第二章電視傳像基本原理 n波形如圖 微分后得行同步 積分后得場同步 n問題一：場同步期間無行同步 解決方法：在場同步上開槽 第二章電視傳像基本原理 n問題二：奇偶場積

10、分波形不對(duì)稱 解決方法：開雙倍的槽，加前后均衡 微分脈沖多了一倍，但離行同步位置較遠(yuǎn)， 沒有影響。 第二章電視傳像基本原理 有開槽和均衡脈沖積分器輸出 第二章電視傳像基本原理 三、黑白全電視信號(hào) 黑白圖象（亮度）信號(hào) 行同步 全電視信號(hào) 復(fù)合同步脈沖 開槽的場同步 前后均衡脈沖 行消隱 復(fù)合消隱 場消隱 第二章電視傳像基本原理 正極性黑白全電視信號(hào) 白電平 黑電平 同步電平 第二章電視傳像基本原理 2.3 電視圖象的基本參量 n以上研究的是基本原理 n下面研究技術(shù)細(xì)節(jié) 第二章電視傳像基本原理 2.3.1 幾何特征 n人眼的黃斑區(qū)：水平20，垂直15 n所以電視圖象幅型比：4 ：3 n考慮雙眼視

11、場左右疊加 下一代電視幅型比：16 ：9 n電視屏幕以最大偏轉(zhuǎn)角對(duì)角線尺寸表示 如：31cm(12”)、64cm(25”)、74cm(29”) 第二章電視傳像基本原理 圖形的失真 n非線性失真 n幾何失真（枕形、桶形） n其他干擾 第二章電視傳像基本原理 2.3.2 場掃描頻率 依據(jù)人眼視覺惰性決定 n殘留時(shí)間0.1秒 f 10Hz n臨界閃爍頻率40-50Hz f 50Hz （越大越好） n要節(jié)省傳輸頻帶 （越小越好） n要減少電源干擾 與電源同步 歷史遺跡，現(xiàn)在不必要也不可能 第二章電視傳像基本原理 2.3.3 掃描行數(shù)及有關(guān)參數(shù) 系統(tǒng)有“分解力” 圖象有“清晰度” 客觀能力 主觀感受 行

12、數(shù)越多，象素越細(xì)，越清楚。 到底要多少才能滿足人眼的需要？ 第二章電視傳像基本原理 一、垂直分解力 n與掃描行數(shù)有關(guān)，但不相等。 逆程占去一些，正程不全有效 第二章電視傳像基本原理 n內(nèi)容是隨機(jī)的，取統(tǒng)計(jì)系數(shù)k n垂直清晰度（按我國標(biāo)準(zhǔn)）： M = k(1+)Z 0.75(1-8%)625 = 431（線） 576個(gè)象素 第二章電視傳像基本原理 二、水平分解力 n水平掃描是連續(xù)的，理論上有無限象素 n但：電子束有一定截面，不能無窮小 花紋越小頻率越高，信道帶寬有限 n選水平清晰度與垂直清晰度相當(dāng)最為合理 N = KM = 4/3 M 4/3 431 = 575（線） n實(shí)際電子束截面與信道帶寬

13、未必相符 n折合到數(shù)字電視水平象素應(yīng)為760個(gè) 實(shí)際SDTV是720 576 第二章電視傳像基本原理 三、掃描行數(shù) Z 清晰度 信號(hào)帶寬 不呈正比 n視角 15，視力分辨角1-1.5 要600-900線 n照顧帶寬，選625行（美國525行） 清晰度達(dá)96% nHDTV選1125、1250行 （1080個(gè)有效像素） 第二章電視傳像基本原理 四、圖象信號(hào)最高頻率 n設(shè)圖象是以最大分辨力的黑白小點(diǎn)組成 求信號(hào)頻率 n方法：找周期（以我國為例） 行頻：25幀/秒 625行 = 15625Hz 行周期：1/15625 = 64s 分辨力：N = 575 即288個(gè)周期，在正程 Td = (1-18%)

14、TH/288 = 0.18 s 所以：fmax = 1/Td = 5.55MHz n我國規(guī)定BW = 6MHz，分辨力稍大于垂直方向。 （實(shí)際不一定達(dá)到） 第二章電視傳像基本原理 2.3.4 亮度與色度的非線性失真 n因?yàn)橄到y(tǒng)（主要是顯象管電子槍）失真 n黑白顯象管造成亮度非線性失真 亮度層次的幾何階梯的級(jí)差發(fā)生變化 n彩色顯象管造成色度非線性失真 因?yàn)槿幢叵嗤?，失真不同，影響比例?總量代表亮度 比例代表色度 第二章電視傳像基本原理 例 n白色：F=1/3R+1/3G+1/3G 平方失真：1/9 ：1/9 ：1/9，只影響亮度 n飽和黃色：F=1/2R+1/2G+0B 1/4 ：1/4

15、 ：0，只影響亮度 n不飽和黃色：F=2/5R+2/5G+1/5B 4/25 ：4/25 ：1/25，還影響飽和度 n橙色：F=2/3R+1/3G+0B 4/9 ：1/9 ：0，還影響色調(diào) 第二章電視傳像基本原理 n結(jié)論：色度圖中，顏色向邊線頂角移動(dòng) n所以黑白電視系統(tǒng)必須對(duì)亮度進(jìn)行校正 n彩色電視系統(tǒng)必須對(duì)三基色分別校正 因?yàn)槿搜蹖?duì)色調(diào)變化特別敏感， 彩色校正要求很嚴(yán)格 第二章電視傳像基本原理 2.4 視頻圖象信號(hào) n“視頻”（Video)的名稱相對(duì)于 “音頻”(Audio) n“AV”這個(gè)名詞就是指音視頻 n這里從最簡單的圖形開始研究 第二章電視傳像基本原理 2.4.1 波形 n1.全黑高

16、電平（直流） n2.全白低電平（直流） n3.上白下黑橫條50Hz方波 n4.四條黑白橫條100Hz方波 n5.左白右黑豎條15625Hz方波 n6.四條黑白豎條31250Hz方波 n7.亮度遞減的豎條行頻及高次諧波 第二章電視傳像基本原理 規(guī)律 橫條越多，場頻的高次諧波越多 豎條越多，行頻的高次諧波越多 n8.既有水平變化，又有垂直變化： 場頻為包絡(luò)、行頻為載波的調(diào)幅波？ 第二章電視傳像基本原理 頻譜 周期性函數(shù)離散頻譜 n1.2圖：直流 n5.6.7圖：行頻及高次諧波 n3.4圖：場頻及高次諧波 n8圖：把場頻及諧波調(diào)制到行頻及諧波上 第二章電視傳像基本原理 電視圖象信號(hào)是一簇簇以行頻諧波

17、為 中心的離散譜線。中間有空隙！ 第二章電視傳像基本原理 變異 n垂直方向變化不大，三角形較瘦 n水平方向變化不大，簇?cái)?shù)減少（不到6MHz） n活動(dòng)圖象：嚴(yán)格地說不是周期函數(shù)（P75） 但活動(dòng)速度遠(yuǎn)小于掃描速度，頻譜結(jié)構(gòu)類似 n隔行掃描：兩場有點(diǎn)差異，有一點(diǎn)25Hz譜線 第二章電視傳像基本原理 2.4.2 亮度、色差信號(hào) 彩色圖象信號(hào)： n用分光系統(tǒng)分別拍攝Ro、Go、Bo信號(hào) 拍攝方法相同，頻譜相同 n經(jīng)校正后稱R、G、B（表示電壓了） n但是不能直接傳送它們。 第二章電視傳像基本原理 一、兼容問題 n黑白機(jī)能接受彩色電視信號(hào)兼容 n彩色機(jī)能接受黑白電視信號(hào)逆兼容 n所以 1.不能傳輸R、G

18、、B 2.要使黑白機(jī)能工作，必須有亮度（Y）信號(hào) 3.另外兩個(gè)彩色信息要在原有的帶寬內(nèi)傳輸 用R？G或B？ 第二章電視傳像基本原理 n單人沙發(fā)不可能坐三個(gè)人，擠個(gè)小孩或許行 n找?guī)捫〉男盘?hào)： 花紋越小，分辨率越高，頻率越高 人眼對(duì)黑白分辨率高對(duì)彩色分辨率低（P15）， 找不含亮度的信號(hào)，可降低帶寬 第二章電視傳像基本原理 二、恒定亮度原理與高頻混合原理 n亮度（Y）信號(hào)帶寬優(yōu)先，希望彩色亮度由 它“恒定”不受其他信號(hào)干擾 恒定亮度原理 n小花紋不用著色（人眼看不清） 大面積著色原理 n小的黑白花紋（高頻）也是由RGB產(chǎn) 生，讓R = G = B = Y 高頻混合原理 第二章電視傳像基本原理

19、上一課主要內(nèi)容 n掃描行數(shù)的選擇 n圖像信號(hào)最高頻率 n非線性失真 n圖像信號(hào)波形、頻譜 n恒定亮度原理、大面積著色原理、高頻 混合原理 n亮度、色差信號(hào) 第二章電視傳像基本原理 三、亮度信號(hào)與色差信號(hào) n亮度：Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B n色差：R-Y=R-（0.30R+0.59G+0.11B） =0.70R - 0.59G - 0.11B G-Y= - 0.30R+0.41G - 0.11B B-Y= - 0.30R - 0.59G+0.89B n帶寬：1.3-1.5MHz 1MHz時(shí)95%的人認(rèn)為“可以” n只要三個(gè)獨(dú)立信號(hào)，第四個(gè)是多余的。 第二章電視傳像基本原理 n色差信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：帶寬窄，恢復(fù)三基色易 R=（R-Y）+Y 接收機(jī)中 G=（G-Y）+Y B=（B-Y）+Y n因?yàn)樯顩]有高頻分量，所以高頻時(shí)都是Y 高頻混合 n低頻（大面積）有色差，所以大面積有色 第二章電視傳像基本原理 2.4.3 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào) n彩色系統(tǒng)測試信號(hào)，檢查系統(tǒng)工作是否正常 n三基色、三補(bǔ)色、黑白，按亮度排列 n幅度規(guī)范：100 0 100 0 黑白范圍 彩色范圍 n三基色波形