电视原理电视图像的传送原理

电视原理电视原理第二章电视图像的传送原理2/55第二章电视图像的传送原理电视传像原理1电视图像基本参数2黑白全电视信号的组成3思考和习题43/55第二章电视图像的传送原理电视传像原理1电视图像基本参数2黑白全电视信号的组成3思考和习题44/552.1电视传像原理Â电视广播用无线电波传送活动图像和伴音。Â传送伴音要把随时间变化的声能变成电信号传送出去，接收机再把电信号转换为声音。Â传送活动图像要在发送端把亮度信息从空间、时间的多维函数变成时间的单变量函数电信号。5/552.1像素Â人眼的分辨力是有限的，当人眼看图像上两个点构成的视角小于1′时，眼睛已不能将这两点区分开来。Â根据这一视觉特性，我们可以将一幅空间上连续的黑白图像分解成许多小单元，这些小单元面积相等、分布均匀，明暗程度不同。大量的单元组成了电视图像，这些单元称为像素。Lθd6/55Â一幅高质量的图像有几十万个像素。要用几十万个传输通道来同时传送图像信号是不可能的。7/55Â由于人眼的视觉惰性，„可以把图像上各像素的亮度信号按从左到右、从上到下的顺序一个一个地传送。电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素，（空间）„只要在视觉暂留的0.1s时间里完成一幅图像所有像素的电光转换，那么人眼感觉到的将是一幅完整的图像。Â利用视觉惰性，„我们同样可以把连续动作分解为一连串稍有差异的静止图像。电影就是每秒放映24幅稍有差异的静止画面来得到活动图像的，电视则是采用每秒传送25幅稍有差异的电视画面来得到连续动作的效果的。（时间）8/55光电导摄像管（光Æ电）显像管原理图（电Æ光）9/55Â利用人眼的视觉惰性和有限分辨力，„活动图像可分解为一连串的静止图像，„静止图像又可分解为像素，只要在时间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息进行光电转换，„接收端再依次重现相应亮度的像素，就可以完成活动图像的传输。„这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。125s10/552.1.1逐行扫描Â显像管中的电子束扫描是通过水平偏转线圈和垂直偏转线圈来实现的。„在水平偏转线圈所产生的垂直磁场作用下，电子束沿着水平方向扫描，叫做行扫描。„同时在垂直偏转线圈所产生的水平磁场作用下，电子束沿垂直方向扫描，叫做帧扫描。tiH(a)t1(b)THFTHt6iZt0t6TZFTZRTZ(c)t1t0t2t3t4THRt5t3t2t4t5t11/55Â行扫描周期TH=THF+THR，倒数是fHÂ帧扫描周期TZ=TZF+TZR，倒数是fZÂfZfHtiH(a)t1(b)THFTHt6iZt0t6TZFTZRTZ(c)t1t0t2t3t4THRt5t3t2t4t5t12/552.1.2隔行扫描Â为了保证电视图像有足够的清晰度，扫描行数需在600左右；Â为了保证不产生闪烁感觉，帧扫描频率应在48Hz以上，（临界闪烁频率46Hz）Â这样图像信号的频带就会很宽，使设备复杂化。Â隔行扫描在不增加带宽的前提下，保证有足够的清晰度又避免了闪烁现象。13/552.1.2隔行扫描Â第一场(field)：1、3、5…Â第二场：2、4、6…（行数必须是奇数）(a)每帧光栅；(b)行扫描电流波形；(c)场扫描电流波形14/552.1.2隔行扫描Â在隔行扫描中，整个画面的变化是按场频重复的，(50Hz46.8Hz),减少闪烁Â但就每行而言，它仍然是按帧频重复的，25Hz„接近电视时，仍会感觉到行间闪烁„并行现象„要求行、场扫描频率保持一定的关系，否则两场光栅不能均匀相嵌。不均匀的极端是奇、偶两场光栅重合，称为真实并行，这时图像清晰度会降低一半。„当图像上有一物体垂直方向运动速度恰好是一场时间下移一行的距离时，该物体后一场图像与前一场相同，当观察者的视线随运动物体移动时，看起来是两行并成了一行，图像清晰度下降，这被称为视在并行。„垂直边沿锯齿化现象：当图像上有物体水平方向运动速度足够大时，因隔行分场传送，相邻两行在时间上相差，结果运动物体图像垂直边缘出现锯齿。锯齿深度就是物体在一场时间内水平方向移动的距离15/552.1.3CCD摄像机的光电转换Â20世纪80年代，由电荷耦合器件(CCD，ChargeCoupledDevices)制成的固体摄像机已经面世。由于其寿命长、耐震动、工作电压低、体积小、重量轻，而且均匀性好，几乎没有几何失真，使得CCD固体摄像机完全代替了真空摄像管摄像机。16/55MOS结构与势阱Â势阱（jing3）„装载电子的容器ÂCMOS和CCD(b)反型层MOS(c)耗尽层金属电极SiO2P型半导体基片(a)G＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－MOS结构与势阱(a)UG=0；(b)UGUth;(c)UGUth17/55电荷的转移（耦合）Â四相CCD电荷的转移2V10V10V10V2V10V(a)Φ1Φ2Φ3Φ4Φ1Φ22V10→210V10V2V2VΦ1Φ2Φ3Φ4Φ1Φ2(b)2V2V10V10V2V2VΦ1Φ2Φ3Φ4Φ1Φ2(c)10V2V10V10V2→102VΦ1Φ2Φ3Φ4Φ1Φ210V2V10V10V10V2VΦ1Φ2Φ3Φ4Φ1Φ2(d)(e)18/55第二章电视图像的传送原理电视传像原理1电视图像基本参数2黑白全电视信号的组成3思考和习题419/55电视图像基本参数Â图像宽高比„图像宽高比也称幅型比。根据人眼的视觉特性，视觉昀清楚的范围是垂直视角为15°，水平视角为20°的一个矩形视野，因而电视接收机的屏幕通常为矩形，矩形画面的宽高比为4∶3。„矩形屏幕的大小用对角线长度表示，并习惯用英寸作单位，一般家用电视机的35cm（14英寸）、46cm（18英寸）、51cm（20英寸）、74cm（29英寸）等都是指屏幕对角线长度。„观看电视的昀佳距离分别为2m、2.5m、3m、4m，眼睛应与荧光屏中心处在同一水平线。为增强临场感与真实感，还可加大幅型比，例如，高清晰度电视或大屏幕高质量电视要求水平视角加大，观看距离约为屏高的三倍，幅型比定为16∶9。20/55Â场频„选择场扫描频率主要应考虑不能出现光栅闪烁。人眼的临界闪烁频率与屏幕亮度、图像内容、观看条件以及荧光粉的余辉时间等因素有关，为了不引起人眼的闪烁感觉，场频应高于48Hz。随着屏幕亮度的提高，屏幕尺寸的加大，观看距离的变近，场频应相应提高。„场频的选择还要考虑交流电源对电视图像的影响。电视接收机电源滤波不良或因杂散电源磁场的影响，„当电源频率与场频相同并与电源同步时，这些干扰在图像上是固定不动的，只要不太大，眼睛是感觉不出来的；„当电源频率与场频不同时，干扰图形将是移动的，以两个频率的差频向上或向下滚动，俗称“滚道”。21/55Â交流电源干扰若加在行锯齿波上，会造成光栅扭曲。当场频与电源频率不同时，光栅不但扭曲而且摆动。Â因此在制定电视标准时都规定场频与本国的电网频率相同。在我国电视标准中，场频选为50Hz。22/55Â行数„在1.2.3节中得到分辨力公式3438()dLθ′=，L表示眼睛与图像之间的距离，d表示能分辨的两点间昀小距离，对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，θ为1～1.5′。•设Z为每帧扫描行数，h为屏幕高度，则有，代入式得。•取标准视距L为屏幕高度h的4～6倍，并取θ为1′时，则可算得应该取的扫描行数在860～570行之间。•目前世界上采用的标准扫描行数有625行和525行，我国采用625行。•在20世纪50年代，电视机以12英寸和14英寸为主,所以行数选择了625行。•随着大屏幕电视的发展，扫描行数已增加到1200行以上。hdZ=3438hZLθ=23/55第二章电视图像的传送原理电视传像原理1电视图像基本参数2黑白全电视信号的组成3思考和习题424/552.3黑白全电视信号的组成Â2.3.1图像信号Â2.3.2辅助信号„消隐信号和同步信号„开槽脉冲和均衡脉冲Â2.3.3全电视信号波形25/552.3.1图像信号ÂCCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号，其余时间内是复位电平和干扰。Â为了取出图像信号并消除干扰，就要采用取样保持电路。„每个像素信号被取样后，用一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。CCD传感器输出取样保持＋－取样保持SHD取样保持SHP26/552.3.1图像信号Â假设被摄图像是从左到右亮度递减的五条由白→灰→黑变化的图像，经转换所得的相应电压波形为阶梯波，如图所示。Â纯白对应的电平昀低，全黑对应的电平昀高。这种信号电平与图像亮度成反比的图像信号称为负极性图像信号。Â反之，信号电平与图像亮度成正比的图像信号称为正极性图像信号。27/55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28/552.3.1图像信号Â图像信号具有如下特征：(1)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。换句话说，它的平均值总是在零值以上或零值以下的一定范围内变化，不会同时跨越零值上、下两个区域，这一特性又可称为单极性含直流。(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。换句话说，相邻两行或相邻两帧图像信号差别极小，可近似认为是周期信号。29/55图像信号的基本参量Â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。Â所谓亮度，通常是指单位面积的光通量。„光通量：流明（Luminous）„单位立体角，单位面积的光通量。（单位：尼特）„电视信号亮度：取决于图像信号的平均直流成分„电视图像的亮度一般都低于原景物亮度，考虑到人眼的适应性，只要适当地降低环境亮度来观看，同样可获得较为满意的亮度感觉。„受到显像管发光亮度的限制(仅数百尼特)，不可能达到客观景物实际亮度(约数百～数万尼特)，30/55对比度和灰度Â对比度是客观景物的昀大亮度Bmax与昀小亮度Bmin之比。„当以K表示对比度时，有„若图像信号的黑、白电平差别愈大，则对比度愈高。Â灰度，即亮度级差或称亮度层次。„它反映了电视系统所能重现的原图像明、暗层次的程度。通常电视台发送一个具有10级灰度的阶梯信号(或称级差信号)，„电视接收机一般都达不到10级灰度，一般只要能达到6级灰度，就可收看到明、暗层次较满意的图像了。„数字信号：位数BitmaxminBKB=31/552.3.2消隐信号和同步信号Â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。图1-14相位不同步产生的失真(a)发端图像；(b)收端失真图像32/552.3.2消隐信号和同步信号Â电视发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲；Â它们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别小于行、场逆程时间。Â在接收端必须先将这些行、场同步脉冲分离出来，用以分别控制接收机中的行、场扫描锯齿波电流的周期和相位。„只有当行、场同步脉冲到来时才开始行与场的回扫33/55(a)复合同步信号；(b)复合消隐信号；(c)复合同步信号与复合消隐信号的叠加波形34/552.3.2消隐信号和同步信号Â显像管电子束在行、场扫描正程期间重现图像信号，在行、场扫描逆程期间形成回扫线。因为摄像机在行、场扫描逆程发出消隐信号令电视接收机显像管电子束截止，所以消除了显像管在行、场扫描逆程期间产生的回扫线。35/552.3.2消隐信号和同步信号Â在电视系统中，发送端在发送图像信号的同时，在逆程期间将消隐信号也发送出去。Â显然，行、场消隐信号的电平应等于图像信号的黑色电平；行、场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；Â行、场消隐脉冲的宽度应分别等于行、场扫描的逆程时间。即行消隐脉冲宽度为12μs，场消隐脉冲宽度为1612μs(其中包含着一个行的逆程12μs)。Â但在接收端为了确保消除回扫光栅，实际上消隐脉冲宽度稍有加宽。复合消隐信号如图(b)所示。因为同步与消隐都出现在行、场扫描的逆程，所以二者相叠加便得到图(c)所示的合成波形，