彩色电视编码与解码原理

项目十一：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①了解三基色原理及混色原理。②知道黑白、彩色电视兼容性原理。③理解NTSC制彩色电视信号的编码与解码原理。④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0．52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1．5边学边议像素0．53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1．5边学边议NTSC制与PAL制的调制与解调0．5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、光和彩色名称频率/Hz波长/m无线电波红外线紫外线X射线宇宙射线10510101015102010253x1033x10-23x10-73x10-123x10-17红橙黄绿青蓝紫nm7806306005805104504303801、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380nm~780nm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。（2）非发光物体的颜色：由照射光源决定；由物体的性质决定；由人眼的视觉特性决定。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。锥状细胞：对亮度和色度均敏感。有红敏、绿敏和蓝敏三种细胞。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同，则给人的亮度感觉也是不同的。100806040200相对视敏度（%）400500600700555nm视觉灵敏度：同等能量的光源,人眼对λ=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）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。色度学知识红绿蓝黄青紫白红色＋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=白色两两互为补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=0.30R＋0.59G＋0.11B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=0.30ER＋0.59EG＋0.11EB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蓝色差信号传输通道编码矩阵解码矩阵G-Y矩阵GBYR-YB-YRYR-YB-YRGB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，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γ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+0.59Gd+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lMHz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)3.3.2NTSC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。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：)2cos1(22sin2sin)(sincos)(sin2tYBtYRtYBttYRtFscscscscscsc（R-Y）解调：tYBtYRttYBtYRtFscscscscscsc2sin2)2cos1(2sincos)(cos)(cos2通过LF后，滤除sc2得2YB通过LF后，滤除sc2得2YR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：VUsc