彩色電視原理精品課件

1、彩色電視原理第1頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.1 三基色原理和彩色顯像管光的性質1）可見光譜380nm（紫）780nm（紅）2）光的特性a）不同波長的光呈現出的顏色各不相同b）只含有單一波長的光稱為單色光，單色光發(fā)出的顏色由波譜決定，也就是我們說得譜色。c）包含有兩種或兩種以上波長的光標為復合光（復色光），復合光作用于人眼，呈現混合色。 第2頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三3）光的顏色取決于客觀與主觀兩方面的因素?？陀^因素是它的功率波譜分布。主觀因素是人眼有視覺特性。第3頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三標準光源

2、和色溫 當絕對黑體在某一特定絕對溫度下，所輻射的光譜與某光源的光譜具有相同的特性時，則絕對黑體的這一特定溫度就定義為該光源的色溫 A光源:相當于2800K鎢絲燈所發(fā)的光。 B光源:相當于中午直射的太陽光。 C光源:相當于白天的自然光。 D光源:相當于白天平均照明光。 E光源:是一種理想的等能量的白光源。 色溫較低者，偏紅；色溫較高時，偏藍 第4頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三物體的顏色 顏色的決定條件：發(fā)光體：發(fā)出的光譜不發(fā)光體：1、物體本身的光譜特性 2、照射光源第5頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三1、彩色視覺視覺特性1）相對視敏曲線 最亮

3、（最靈敏）的是黃綠色，最暗（最遲鈍）的是藍色和紫色 第6頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 2）人眼的亮度感覺 a) 人的視覺范圍很寬 b) 在不同環(huán)境亮度下，人眼對同一亮度的主觀感覺也不相同。 第7頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三彩色視覺： 桿狀：靈敏度高，但不辨別顏色 錐狀：靈敏度低，但能辨別顏色 紅敏 藍敏 綠敏人眼的分辯力 分辯力與景物相對對比度有關 彩色分辯力比黑白分辯力還低 立體視覺第8頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2、彩色三要素亮度色調：只有572nm的黃光，503nm的綠光和478nm的藍光，其色調不

4、隨光強而變換，其他波長的色光都隨光強的改變而略有變化 色飽和度：人能分辨出自然界中各種彩色具有不同的飽和度，但對不同顏色的飽和度變化卻有不完全一樣的靈敏度，黃色只有4級飽和度，而紅、藍則有25個等級。第9頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三色調與飽和度合稱為色度（Chromaticity），它既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度。色度再加上亮度，就能對顏色作完整的說明。非彩色只有亮度的差別，而沒有色調和飽和度這兩種特性。第10頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三3、三基色原理 單色光的顏色可以由幾種顏色的混合光（復色光）來等效；這一現象稱混色

5、 只要選取三種不同顏色的單色光按一定比例混合就可以得到自然界中絕大多數色彩，具有這種特性的三個單色光叫基色光，對應的三種顏色稱三基色。 第11頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三4、混色方法 相加混色：各分色的光譜成分相加 彩色電視 相減混色 ：各分色光譜成分的相減 彩色印刷、 繪畫和電影第12頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三相加混色的幾種方法： (1) 空間混色法。 (2) 時間混色法。順序制彩色電視的基礎。 (3) 生理混色法。第13頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三5、彩色的度量和表示色度三角形第14頁，共118頁，

6、2022年，5月20日，10點3分，星期三第15頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三RGB計色制：物理意義明確 使用不方便 分布色系數中存在負值，用求和法近似計算色系數時，容易出錯；自然界某些實色的相對色系數出現負值，它們的坐標不全在第一象限，作圖不方便 XYZ計色制第16頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三6、彩色圖像的攝取與重現第17頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.2 亮度、色差信號及其組成彩色電視與黑白電視兼容的條件亮度、色差與R、G、B的關系 在彩色電視系統(tǒng)中，為傳送彩色圖像，選用了一個亮度信號和兩個色差信號。

7、第18頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B B-Y=B-(0.30R +0.59G +0.11B)=-0.30R-0.59G+0.89B 恒定亮度原理：重現圖像的亮度只由所傳送的亮度信號所決定第19頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.3彩色電視制式 從傳送信號的時間關系分為：(1)順序制；(2)同時制；(3)順序同時制 NTSC制 PAL制 SECAM制 NTSC制和PAL制都屬于同時制，SECAM制都屬于順序同時制 第20頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.3.1 頻譜交

8、錯原理 1、大面積著色原理和高頻混合原理大面積著色原理：油畫 水彩畫高頻混合原理：在彩色圖像傳送過程中，只有大面積部分需要同時傳送亮度信息和色度成分。而顏色的細節(jié)部分用亮度信號來取代。第21頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2、亮度信號頻譜 第22頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三3，頻譜交錯原理亮度信號的頻譜具有間隙很大的梳齒狀特征將色度信號的頻譜移動半行頻（fH/2）的奇數倍，使色度信號的頻譜與亮度信號的頻譜錯開第23頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三色度信號與色同步信號 為了實現頻譜交錯，須將色差信號調制到副載波上。

9、而色差信號有兩個(R-Y和B-Y)，若分別調制到不同的副載波上，同時傳輸時會使帶寬增加，所以需要進行編碼處理，處理方式的不同從而產生了不同的彩色電視制式。 第24頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.3.2 NTSC制 1953年美國提出 National Television System Committee（國家電視制式委員會） 其色差信號采用了正交平衡調幅技術，故又稱為正交平衡調幅制。第25頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三1、正交平衡調幅制 為什么采取正交平衡調幅制? 頻帶內 高端：色度信號-高頻振蕩 低端：亮度信號 NTSC制采用了平衡

10、調幅方式和頻譜交錯原理 平衡調幅：減弱光點干擾的強度 頻譜交錯：實現相鄰行、相鄰場之間的光點的相消作用。 第26頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 調制方式必須滿足： 色度已調波對亮度信號在干擾最小； 已調波中無用信號成分少、有用成分多，彩色信雜比高； 兩個色差信號互不干擾，在接收機中容易分開。 第27頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三平衡調幅調制信號： 載波信號： 一般調幅波 平衡調幅 第28頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 平衡調幅信號正好是調制信號和被調制信號的乘積。它與普通調幅的區(qū)別在于沒有載頻分量。第29頁，共

11、118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三平衡調幅波的特點：（1）平衡調幅波的幅度與調制信號幅度的絕對值成正比。 (2) 調幅信號為正值時，平衡調幅波與載波同相；調制信號電壓為負值時，平衡調幅被與載波反相。當調制信號電平過零而改變其電壓極性時，平衡調幅波相位隨之變化180。第30頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 如果兩個色差信號采用平衡調幅，則色度信號為：優(yōu)點：（1）傳送黑白圖象時，由于R-Y=B-Y=0，則色度信號為零，對亮度信號無干擾 (2）傳送彩色圖象時，沒有載頻分量，有效減少色度信號的能量，同時減輕了色度信號對亮度信號的干擾。 第31頁，共118頁，

12、2022年，5月20日，10點3分，星期三正交調幅 ：R-Y 和B-Y都是用平衡條幅，帶寬為 2.625.2MHz 亮度與色度信號間的干擾將相當嚴重 怎么解決？ -正交調幅 將兩個調制信號分別對頻率相等、相位相差90的兩個正交載波進行調幅，然后再將這兩個調幅信號進行矢量相加 優(yōu)點：頻帶寬度沒有增加 解調時用相位就可以很容易將兩個信號分開第32頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三調制后的色度信號為：信號的振幅為決定了色彩的飽和度相角為：決定了色彩的色調第33頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2、Q、I色差信號 色度信號幅度的壓縮一、色度信號壓縮的原因

13、 將色度信號、色同步信號、亮度信號Y、復合同步S和復合消隱信號BL相混合就得到彩色全電視信號 未經壓縮的彩條信號 所得彩色視頻信號的電平變化范圍已大大地超過了黑白視頻信號的電平變化范圍。 彩條視頻信號中會出現“比白還白”和“比黑還黑”的電平 第34頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三比黑還黑-破壞接收機的同步比白還白-引起嚴重的過調制現象必須對這種彩條視頻信號進行壓縮 全部壓縮還是只壓縮色度信號？亮色同時壓縮-彩色圖像不失真 缺點：兼容黑白圖像不好，亮度信號幅度不夠 解決方法：保持亮度信號幅度不變，只對色度信號進行壓縮 第35頁，共118頁，2022年，5月20日，10點

14、3分，星期三二、色度信號壓縮的要求 壓縮多少合適？ 壓縮到0100%內好不好？ 壓縮過多，將會過多地降低彩色信雜比，它的抗干擾能力變差 當彩條信號的最大和最小電平不超過白色和黑色的33時，才是比較合適的 第36頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三壓縮系數K1=0.493、K2=0.877壓縮后的信號為 壓縮后的色差信號分別對兩個正交副載波sinSCt和cosSCt進行平衡調幅 F = FU + FV = U sinSCt + V cosSCt， FU 、 FV頻率相等，相差90。第37頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三F稱為色度信號 色度信號F包含

15、著色調和飽和度信息，是一個既調幅又調相的信號。 當色度信號的相位發(fā)生變化時，會引起色調變化；當色度信號的振幅發(fā)生變化時，會引起飽和度變化。第38頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三三、色同步信號 要實現同步解調，需要一個與色差信號調制時的副載波同頻、同相的信號（恢復副載波）。第39頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 NTSC將被壓縮的色差信號U、V又進行了一定的變換，產生了I、Q信號，對色差信號的頻帶進行了進一步的壓縮。 壓縮依據 人眼對紅、黃之間顏色約分辨力最強；而對藍、品（紫）之間顏色的分辨力最弱。 I軸表示人眼最為敏感的色軸，而以與之垂直的Q

16、軸表示最不敏感的色軸 第40頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 對I 所對應的色度信號采用較寬的帶寬 (不對稱邊帶：+0.5MHz -1.5MHz)，而對Q信號對應的色度信號則只需采用很窄的帶寬(0.5MHz)來進行傳輸 Q、I正交軸與U、V 正交軸有33夾角的關系 Q、I與三基色的關系： 第41頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三優(yōu)點：僅與亮度信號重迭2MHz，從而減輕了亮、色之間的干擾。同時也減輕了色度信號I和Q之間的干擾。第42頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三3、色度副載頻的選擇精確選定副載頻以實現亮度信號和色度信號

17、的頻譜交鍺 第43頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三副載頻的選擇原則：1.使亮度和色度信號的頻譜間距最大 2.盡量減輕副載波對亮度的干擾 3.色度信號上邊帶的邊界值不能超過視頻信號的帶寬 4.考慮到可能出現伴音載波和副載波的差拍干擾，所以還要求兩者的差頻也等于半行頻的奇數倍 色度副載頻選為半行頻的奇數倍，稱為半行頻或1/2行頻偏置，即fsc=(n-1/2)fH第44頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三4、彩色全電視信號第45頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三5、NTSC制式編、解碼方框圖第46頁，共118頁，2022年，5月

18、20日，10點3分，星期三第47頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三6、NTSC制的主要參數及性能特點場頻fV59.94Hz(60Hz)；行頻fH525fV/215.734KHz；每幀525行；圖像信號標稱帶寬為4.2MHz；伴音與圖像載頻之差為4.5MHz；色度副載波頻率fSC3.57954506MHz第48頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三優(yōu)點有： 1.NTSC制的色度信號組成方式最簡單，最易于進行信號處理，設備最簡單，成本最低。 2.亮度信號和色度信號的頻譜間距最大，兼容性好，亮度串色和色副載波干擾光點最小。 3.無行順序效應（即爬行現象）和

19、亮度閃爍現象。4.演播室進行圖象慢轉換（淡出一淡入）、切換、混合等特技操作比較方便。 5.在沒有信號失真的情況下，它有較高的圖象質量，如具有較高的彩色水平和垂直清晰度。 第49頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三缺點：色調的相位敏感性嚴重產生相位失真的主要原因 ：1.微分相位的影響 -微分相位失真不能用簡單辦法進行補償。因為，它是隨亮度電平的不同而變化的2.不對稱邊帶的影響 3.多徑接收的影響第50頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2.3.3 PAL制1、PAL色度信號一、逐行倒相 使色度信號中 分量保持不變，使分量 逐行倒相 PAL制的色度信號為

20、 第51頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三上式中：第52頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 NTSC行 PAL行 在PAL制的色度信號中，除了PAL行的相角和NTSC行的相角不同外（兩者之和為360），其他參數均和NTSC制的色度信號相同。 在接收端，為檢出正確V信號，必須使送入V信號同步檢波器的副載波相位也和發(fā)送端一樣進行逐行倒相，檢波以后的V信號就恢復原來狀態(tài)了。 第53頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三逐行倒相的實現第54頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三PAL制色度信號的頻譜第55頁，共11

21、8頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三FV與FU的譜線剛好錯開fH/2第56頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2 PAL制色同步信號第57頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三色同步信號的產生方法：5.60.1s第58頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三第59頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三3、PAL制 采用逐行倒相克服相位失真的原理PAL制的微分相位的容限為40PAL克服相位敏感原理（a）相位無失真情況；（b）相位失真情況第60頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三4 、

22、PAL制副載波頻率的選擇第61頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 nfH位于fSC和(fSC+ fH /2)之間（即將副載波頻率fSC選為行頻的整數倍加上或減去 fH /4），這樣就可使亮度信號Y與兩個色度信號分量的頻譜相互錯開，那么nfH應滿足下述關系： 由于fSC與整數倍的行頻fH有fH /4的頻差，故稱1/4行頻間置。根據選擇fSC盡以高的原則，可取n284。實際的PAL制彩電副載波為：第62頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三增加25Hz的目的在于減輕副載波光點干擾的可見度 第63頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三P

23、AL制的優(yōu)點與NTSC制相比較，PAL制有下列優(yōu)點：1.對相位失真（包括微分相位失真）不敏感。2.比NTSC制抗多徑接收性能好。3.PAL制相對NTSC制而言，色度信號的正交失真不敏感，并且對色度信號部分抑制邊帶而引起的失真也不敏感。4.PAL接收機中采用梳狀濾波器，可使亮度串色的幅度下降3dB，并且可以提高彩色信噪比3dB。第64頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三缺點1. 由于PAL制色信號逐行倒相，傳輸及解碼中產生的誤差（例如微分相位等），將在圖象上產生爬行及半幀頻閃爍現象。2.PAL信號不利于信號處理3.與NTSC制一樣，彩色接收機圖象的水平清晰度比黑白電視機的低

24、。4.垂直彩色清晰度PAL制比NTSC制低。5.由于要有高精度和高穩(wěn)定度的延時線及附屬電路，PAL制接收機比NTSC制接收機復雜，成本稍高。第65頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三SECAM制Sequential Couleur a memoire（順序傳送彩色與存貯） 兩個色度信號不是采用同時傳送，而是采用了順序傳送的方法。順序 同時制 第66頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三優(yōu)點：1、傳輸中引入的微分相位失真對大面積彩色的影響減小，故微分相位容限可達402、由于反映色差信號幅度的調頻信號的頻偏不受非線性增益的影響，所以色度信號不受振幅失真及幅

25、度型干擾的影響3、由于不采用正交平衡調幅、因此也不必傳送色度副載波的相位基推信息。第67頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三缺點： 1、為了傳送兩個色度分量，就必須采用兩個副載波頻率。由于已調頻波的瞬時頻率會隨圖像內容而變化，所以也無法實現亮度信號與色度信號的頻譜間置，因而彩色副載波會對畫面產生較嚴重的光點干擾。 2、SECAM制逐行輪換傳送色差信號，使彩色垂直情晰度下降。尤其對有垂直快速運動的畫面，影響嚴重。 3、此外，SECAM制也存在著行順序效應，且屬于行順序工作的原理性缺陷。 第68頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三電視信號的頻譜1. 電視

26、信號頻譜分析電視信號頻譜的性質是電視系統(tǒng)中圖像信號處理的理論基礎，也是彩色數字電視中數據壓縮的理論依據，所以，有必要對電視信號的頻譜進行分析。第69頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三設電視信號f(x，y)是兩個自變量x、y的周期函數，該周期函數對x來講以TH為周期，對y來講以TV為周期，即f(x+TH，y+TV)=f(x，y)。則可把電視信號用傅里葉級數的復數形式表示如下：第70頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三其中， 代表諧波的幅度和相角。其幅度將隨m和n的增大而逐漸減小，并當m和n足夠大時趨于零。若函數f(x，y)隨x變化緩慢，則幅度將隨m的

27、增加而很快減小，并逐漸趨于零; 反之，若函數f(x，y)隨x變化較快，則幅度 將隨m的增加而緩慢衰減地趨于零。同理，若函數f(x，y)隨y變化緩慢，則幅度將隨n的增加而很快減小，并逐漸趨于零; 反之，若函數f(x，y)隨y變化較快，則幅度將隨n的增加而緩慢衰減地趨于零。式(1.8.1)傅里葉級數的三角函數形式為第71頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三討論：(1) 由于我國彩色電視標準PAL-D信號的帶寬規(guī)定為6MHz 在此帶寬內的行頻最高次諧波只能為第72頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三(2) 在兩根行頻主譜線之間的間隔為fH寬度，在該頻帶寬度

28、范圍內，只能安排場頻的最高諧波為但諧波分量只能取整數，所以，n=312。因此式(1.8.3)應寫成如下形式： 第73頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三1. 靜止圖像信號的頻譜一幀電視圖像是通過電子束從左到右、 從上到下對攝像管靶面掃描而得到的。掃描后得到信號電流，該電流流向負載電阻得到了信號電壓，所得到的信號電壓可用如下公式表示： 第74頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 對一幅靜止圖像來說，電子束從左到右、從上到下對攝像管靶面掃描而得到的圖像的內容是按TH、 TV周期重復的。由分析可知，靜止圖像的頻譜為離散譜，靜止圖像的頻譜第75頁，共118頁

29、，2022年，5月20日，10點3分，星期三圖示頻譜也稱為靜止圖像的幅頻特性。從該圖可以看出，大部分信息能量都聚集在行頻及其倍頻附近相當狹窄的頻帶內，而在行頻的倍頻之間的頻帶內信息能量很小。下面結合物理概念對其作以下幾項討論：(1) 若所傳的圖像為垂直條紋，即圖像亮度信號僅隨x的變化而變化，在y方向上無變化，則各行的亮度變化都一樣，每行的電視圖像信號都是重復的，其重復周期為TH。也就是說，這種圖像僅是以TH為周期的周期函數，其諧波頻率成分是行頻及其倍頻，這相當于n=0的情況，即 第76頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 (2) 若所傳的圖像為水平條紋，即圖像亮度信號僅隨

30、y的變化而變化，在x方向上無變化，則這種圖像僅是以TV為周期的周期函數，其諧波頻率成分是場頻及其倍頻，這相當于公式 (1.8.5)中m=0的情況，即 第77頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三(3) 對于一般的靜止圖像，其亮度信號不僅隨x的變化而變化，而且也隨y的變化而變化，每行的圖像信號都不同，但它是周期性地變化著(周期為TV)。這可理解為幅度F00、和相角m0受到一個周期為TV的信號的調制。已調波的頻譜不僅在行頻及其倍頻上，而且還擴展到行諧波mfH附近的頻率上，形成上、下兩個邊帶(mfHnfV)。第78頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三(4)

31、靜止圖像譜線的特點是： 其頻譜以主譜線和副譜線離散分布; 譜線幅度隨諧波次數的增加而逐漸下降，能量主要集中在低頻分量; 主譜線兩邊安排副譜線，其幅度隨諧波次數的增加而逐漸下降，能量主要集中在低頻分量; 在PAL-D制中行頻譜線的最高諧波為, 在兩主譜線間最多可安排的副譜線為根。第79頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2. 活動圖像信號的頻譜對于活動圖像，亮度信號不但是x、y的函數，而且是時間t的函數，可用下式表示活動圖像信號: 第80頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三式中，f表示變化的頻率，其諧波頻率f=mfH+nfV+kf表示連續(xù)譜?；顒与娨晥D

32、像的幅度頻譜圖是在圖靜止圖像的頻譜各次諧波上再增加上、下兩邊帶f，因為f是連續(xù)變化的，所以，我們說活動圖像的頻譜是連續(xù)譜。該圖同樣表明：活動圖像信號的頻譜能量大部分集中在行頻fH及其倍頻mfH附近的狹窄頻帶內，而在相鄰行諧波頻率之間(即附近)信息能量是極少的。由以上分析知，整個頻譜的使用情況相當不經濟，我們應當利用這些幾乎是空白的頻率區(qū)域。電視信號頻譜的這些性質是圖像信號處理和頻譜交織壓縮頻帶的理論基礎。第81頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 活動圖像的頻譜第82頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 空間頻率和空間頻譜 對于一個彩色平面活動圖像來

33、說，圖像中任一點的亮度信號同時是光波長()、水平位置 (x)、垂直位置(y)和時間(t)的函數。在發(fā)送端，通過鏡頭(光學濾波器)和光電轉換器件，將光圖像變?yōu)殡妶D像。光電轉換器件是具有積分作用的器件，因此，有如下的積分關系： 第83頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三式中通過對波長的積分以后所得到的電視信號是x、y、t三者的函數。因此，要對電視信號進行分析應該在三維空間中進行。但是，對靜止圖像或變化很慢的接近于靜止的圖像而言，電視信號只是x、y的函數，可以在二維空間中進行分析。另外，人們采用了掃描原理，把一幅圖像從左到右、從上到下進行掃描，以逐點亮度信號送出，在接收端通過顯

34、像管的余輝效應和人眼的視覺暫留效應恢復了原來的活動圖像。這樣，由于通過掃描是以時間(t)連續(xù)信號送出，因此把三維函數變?yōu)橐痪S(t)函數就可以采用一維方法對電視信號進行一維頻譜分析。綜上所述，對電視信號可以采用一維空間、二維空間、三維空間進行分析，而且，隨著維數的增加，更能揭示出電視信號的本質，對電視信號的數字化處理帶來方便。下面逐個地對它們進行分析，為分析方便起見，先引入空間頻率的概念。第84頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三1. 空間頻率1) 空間頻率的定義一個任何形狀波形的電視信號都可以分解為各種不同頻率和不同幅度的諧波分量，如果這些諧波分量的幅度不是隨時間變化而是

35、隨空間位置的不同而變化，我們稱這種頻率為空間頻率?？臻g頻率分為水平空間頻率(m)和垂直空間頻率(n)兩種。第85頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三水平空間頻率是指畫面寬度范圍內垂直黑白條的周期數(cpw)。垂直空間頻率是指畫面高度范圍內水平黑白條的周期數(cph)，一般不寫單位，只標明m，n的具體數字。當m3, n2時，常用(3，2)表示。第86頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 三種黑白條信號(a) m=3，n=0; (b) m=0，n=2; (c) m=2，n=2第87頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三從理論上說，各諧

36、波分量在空間上是無限的，但只要在全空間上是正確的，那么其中的某一部分也應是正確的。因此，只討論電視畫面的有限范圍，并且分析中暫不考慮行、場消隱時間。第88頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2) 空間頻率與電視信號頻率的關系電視圖像的空間頻率與電視信號頻率之間有一一對應的關系。例如，對于圖1.8.3(a)所示的圖像信號，若只考慮它的基頻信號，則該電視信號的最高頻率為行頻的3倍。在只存在水平空間頻率的情況下，所得到的電視信號的最高頻率為 fm=mfH式中：fH為行頻; m為水平空間頻率。對于如圖 (b)所示的只存在垂直空間頻率的畫面，在隔行掃描情況下，每場只得到兩個周期的脈

37、沖信號，此時，電視信號的最高頻率為 第89頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三式中：n是垂直空間頻率; fV是場頻; N是每幀行數。在PAL制中，fV50 Hz，N625。如果是逐行掃描，則有 第90頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三式中：fF為幀頻，對PAL制而言，fF25 Hz。在水平空間頻率和垂直空間頻率同時存在的情況下，由于掃描既在水平方向進行又在垂直方向進行，因此對圖像從左至右、從上至下掃描一遍后，所得的圖像信號的最高頻率應當是水平空間頻率轉換后得到的信號頻率與垂直空間頻率轉換后得到的信號頻率之和。例如，對于圖(c)所示的圖像，若進行逐行

38、掃描，當掃描到最后1行的起點時，已得到了2625mN個信號周期，到1幀結束后還能得到2個信號周期。因此1幀中總的信號周期數應是2625+2mN+n，再乘以幀頻，就得到轉換的信號頻率fse=(2625+2)25 Hz=31 300 Hz第91頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三一般地說，對于逐行掃描，如果圖像的二維空間頻率是(m，n)，那么經過掃描后所得的信號的最高頻率為而隔行掃描信號的最高頻率為 第92頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 黑白斜條信號第93頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2. 電視信號的空間頻譜1) 電視信

39、號的二維空間頻譜 盡管電視信號的一維頻譜分析已能滿足某些信號處理的需要，但在涉及相鄰行、相鄰幀間像素的視頻信號處理時，一維頻譜的分析方法就不能勝任了。采用二維或三維頻譜的分析方法，可更深入、更直觀地解釋處理的結果，特別適于交叉亞抽樣、亮色數字分離、二維輪廓增強、多維濾波涉及信號多維頻譜特性的分析。下面介紹PAL-D信號的二維空間頻譜。第94頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三對于PAL-D信號，因為每幀625行，圖像亮度信號的最高頻率為6 MHz，所以垂直空間頻率的界限為; 水平空間頻率的界限可以由電視亮度信號的最高頻率求得，即。因此，PAL-D信號的空間頻譜界限是m38

40、4，n312。 這樣，可以建立一個二維空間頻譜坐標，如圖所示，橫軸為m軸，縱軸為n軸。m軸過坐標原點向右m為正，向左為負; n軸過坐標原點向上n為正，向下為負。如果把PAL-D理想亮度信號的頻譜用二維空間頻譜來表示，則為圖 (b)所示的橢圓范圍內。第95頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三電視信號的能量主要集中在低頻端，信號的幅度隨著頻率的提高而下降，所以電視亮度信號的二維空間幅頻特性應該為圖(c)所示的橢圓圓錐形狀。其橢圓圓錐形狀的幅頻特性的數學表達式為式中：z表示幅度軸; K為橢圓圓錐的最大幅度。第96頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三理想亮度

41、信號的二維空間頻譜第97頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三在實際情況中，水平空間頻率較高的地方對應的垂直空間頻率較低，垂直空間頻率較高的地方對應的水平空間頻率較低。這樣，實際電視亮度信號的二維空間頻譜應為菱形頻譜(如圖(b)所示)，它的幅頻特性應為菱形錐狀(如圖(c)所示)。第98頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三 實際電視亮度信號的二維空間頻譜第99頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三圖(b)所示的實際電視亮度信號的二維頻譜圖可以看做是由四條直線圍成的，即化簡得 (|n|312，|m|384，m、n為整數)第100頁，共1

42、18頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三而實際黑白電視信號的二維頻譜的幅頻特性為菱形錐體，其數學表達式為 (0zK，m、n為整數)化簡得 (0zK，m、n為整數) 第101頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三2) 電視信號的三維空間頻譜 電視信號的掃描過程實際上是對一個三維(x，y，t)模擬量的二維抽樣過程，即在y方向和t方向進行抽樣，而x方向沒有抽樣，保持模擬過程不變，如圖所示。第102頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三f(x，y，t)三維掃描圖像第103頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三如下圖左圖所示，如果f(x，y，t)是一個三維連續(xù)信號，則其頻譜如下圖右圖所示。f(x，y，t)函數的傅氏變換為 第104頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三f(x，y，t)三維掃描圖像及其頻譜F(m，n，f)第105頁，共118頁，2022年，5月20日，10點3分，星期三視頻信號作為三維連續(xù)信號在x、y方向(掃描)和t方向(場間隔)的周期抽樣，如(a)。根據抽樣定理，f(x，y，t)的視頻信號的頻譜在f、m、n方向分別以、和的間隔重復F(m，n，f)。如果對視頻信號在x方向上進行抽樣，則成了數