第1章电视基础知识

第1章电视基础知识1.1电子扫描1.2黑白全电视信号1.1电子扫描传输语音信号的无线电广播,主要包括发射与接收两大部分。在发端主要完成将语音变为电信号(称音频信号),并经放大、调制,然后由天线以高频电磁波形式发射出去。收端则正好相反,将收到的高频电磁波经高放、解调、音频放大,最后送扬声器发出声音。图1―1给出了无线电语音广播原理图。图1―1无线电语音广播原理图电视广播有开路与闭路之分。开路系统,即无线电视广播系统,其原理与语音广播类似,但无论是发端还是收端,都远比语音广播复杂。闭路电视系统所不同的只是传送电视信号由同轴电缆完成而已。图1―2无线电视广播系统原理方框图1.1.1像素的概念像素的传送具有以下两个特点:第一是要求传送速度快。第二是传送要准确。图1―3顺序传送像素示意图1.1.2光电与电光变换电视图像的传送,在发端是基于光电转换器件,在收端是基于电光转换器件。实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管。1.摄像管与光电转换图1―4为光电导摄像管,属电真空器件。它主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。其工作原理如下所述。图1―4光电导摄像管图1―5光电转换原理示意图2.显像管与电光转换如图1―6所示,在接收端重现图像的是显像管。显像管也是电真空器件,主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。其工作原理如下。这里需要说明的是:对于摄像管来说,光电转换特性可近似认为是线性的;而显像管电光转换特性则是非线性的。显像管的显示亮度(以Bd表示),与其栅、阴极间电压(以ugk表示)的γ次方成正比例,即:ddgkBKu(1―1)如果图像信号由发送端传到接收端的传输过程中未产生非线性失真,考虑到显像管电光转换的非线性,为保持重现图像与原景像亮度成正比,则需在摄像端预先将图像信号电压开γ次方,即式中,u0代表摄像电压,B0为摄像亮度,K0为比例常数。经预失真校正(常称为γ校正),重现亮度Bd则为1/1/1/000uuKB(1―2)1/0000()ddgkddBKuKuKKBKB(1―3)1.1.3电子扫描1.逐行扫描在电视系统中,摄像管和显像管的外面都装有偏转线圈,当线圈中分别流过如图1―7所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场,在这两个磁场的共同作用下,使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。图1―7逐行扫描电流波形(a)行扫描电流波形;(b)场扫描电流波形由于在图1―7所示的锯齿波电流作用下,电子束产生自左向右、自上而下,一行紧挨一行的运动,因而称其为逐行扫描。(1)电子束偏转的基本原理。(2)扫描电流的非线性对显示图像的影响。图1―8光栅形状(a)只有行扫描;(b)只有场扫描;(c)行、场扫描同时存在图1―9偏转线圈结构示意图(a)行偏转线圈;(b)场偏转线圈图1―10扫描电流与重现图像的关系(a)线性扫描,图像无失真;(b)行扫描非线性,产生左伸、右缩的非线性失真;(c)场扫描非线性,产生上拉、下压的非线性失真图1―11扫描电流幅度不足时产生的失真(a)行扫描幅度小;(b)场扫描幅度小2.隔行扫描所谓隔行扫描,就是在每帧扫描行数仍为625行不变的情况下,将每帧图像分为两场来传送,这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1,3,5,…奇数行;偶数场传送2,4,6,…偶数行。图1―12隔行扫描光栅及电流波形(a)每帧光栅;(b)行扫描电流波形;(c)场扫描电流波形第一场(奇场),从左上角开始按1—1′,3—3′,…顺序扫描,直到最下面的中点a为止,共计行,完成了第一场正程扫描。第二场(偶场),扫描从a′点开始,先完成第一场扫描留下的半行a′—11′行的扫描,接着完成2—2′,4—4′,…等偶数行的扫描。1521.2黑白全电视信号1.2.1主体信号——图像信号1.图像信号及其特征图像信号是由摄像管将明暗不同的景像转变而得的电信号。由图1―13可见,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。(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。2.图像信号的基本参量亮度、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。所谓亮度,通常是指单位面积的光通量。亮度常以B表示,光通量的单位是烛光(cd),亮度的单位是尼特(nit)或熙提(sb),它们之间的关系是:2211/11/nitcdmsdcdm图1―13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由于1m2=104cm2,所以1sb=104nit对比度是客观景物最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比。当以K表示对比度时,有maxminBKB(1―4)1.2.2辅助信号1.复合同步信号电视系统中,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(a)为发端图像,图(b)为相位不同步的情况。图1―14相位不同步产生的失真(a)发端图像;(b)收端失真图像图1―15复合同步与复合消隐信号(a)复合同步信号;(b)复合消隐信号;(c)复合同步与复合消隐信号2.复合消隐信号3.槽脉冲和均衡脉冲图1―15(a)告诉我们,行同步脉冲与场同步脉冲具有相同的幅度,不同的宽度,因而分离行、场同步脉冲的方法一般是借助于宽度分离电路——微分与积分电路的组合,如图1―16所示。图1―16同步分离原理框图及波形(a)分离电路原理图;(b)各点波形图1―17复合同步脉冲及积分结果(a)复合同步信号;(b)积分输出波形;(c)加有均衡脉冲的复合同步信号;(d)加有均衡脉冲后的积分器输出波形1.2.3黑白全电视信号1.全电视信号波形将以上介绍的图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加,即构成黑白全电视信号,通常也称其为视频信号,其波形如图1―18所示。图1―18黑白全电视信号各脉冲的宽度为:行同步4.7μs;场同步160μs(2.5H(行));均衡脉冲2.35μs;槽脉冲4.7μs;场消隐脉冲1612μs;行消隐脉冲12μs。2.全电视信号的频谱所谓频谱,就是电信号的能量按频率分布的曲线。全电视信号的频谱,应是它所包含的主体信号(图像信号)与辅助信号的频谱之和。图1―19图像信号的频谱归纳起来,图像信号的频谱具有如下特征:(1)以行频及其谐波为中心,组成梳齿状的离散频谱。(2)随着行频谐波次数的增高,谱线幅度逐渐减小。(3)实践证明,无论是静止或活动图像,围绕行谱线分布的场频谐波次数不大于20(即图1―19中m≤20)。按m=20计算,各谱线群所占频谱宽度仅为2m×fv=20×20×50=2kHz,相邻两主谱线间距为15.625kHz,可见各群谱线间存在着很大的空隙。图1―20各辅助脉冲信号的频谱图1―21全电视信号频谱示意图1.3彩色的基本概念1.3.1彩色和光密不可分1.可见光的特性光学理论告诉我们,光是一种以电磁波形式存在的物质,人眼可以看见的光叫可见光,它是波长范围为380nm到780nm之间的电磁波,如图1―22所示。图1―22电磁波波谱及可见光光谱从电视角度看,可见光有如下特性:(1)可见光的波长范围有限,它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。(2)不同波长的光呈现出的颜色各不相同,随着波长由长到短,呈现的颜色依次为:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,见图1―22。(3)只含有单一波长的光称为单色光;包含有两种或两种以上波长的光称为复合光,复合光作用于人眼,呈现混合色。(4)太阳发出的白光中包含了所有的可见光,若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上,太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱,如图1―23所示。图1―23太阳光的棱镜分解2.物体的颜色3.色温和标准光源(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。各标准白光源的特点如下:A光源:相当于2800K钨丝灯所发的光。B光源:相当于中午直射的太阳光。C光源:相当于白天的自然光。D光源:相当于白天平均照明光。E光源:是一种理想的等能量的白光源。图1―24标准白光源的光谱1.3.2视觉特性1.相对视敏曲线物质有选择地吸收、反射或透射不同波长的光,是物体固有的物理特性,它决定了该物体的颜色;而人们感觉到光的亮度和光的颜色却是人的眼睛的生理结构特点所造成的。2.人眼的亮度感觉亮度感觉,即包括人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观亮度感觉。图1―25相对视敏曲线根据以上分析可以得出如下结论:(1)人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当宽,但当眼睛适应于某一平均亮度后,能分辨的亮度范围就比以主观感觉“亮”与“暗”为界的范围缩小了。(2)在不同的环境亮度下,同样的亮度,给人的主观亮度感觉却完全不同。(3)当人眼适应于不同的平均亮度后,可分辨的亮度范围也不相同。3.人的彩色感觉锥状细胞又分为三类,分别称为红敏、绿敏和蓝敏。如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋,而另外两种光敏细胞仅受到很微弱刺激,我们感觉到的便是某一种色光。1.3.3彩色三要素和三基色原理1.彩色三要素对于彩色光通常可由亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述,这三个量常被称为彩色三要素。2.三基色三基色原理告诉我们:(1)三基色必须是相互独立的,即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而产生。(2)自然界中的大多数颜色,都可以用三基色按一定比例混合得到。(3)三个基色的混合比例,决定了混合色的色调和饱和度。(4)混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。3.混色方法如图1―26所示。由图可见:红光+绿光=黄光红光+蓝光=紫光(品光)绿光+蓝光=青光(1―5)红光+绿光+蓝光=白光图1―26相加混色圆图实现相加混色还有如下几种方法:(1)空间混色法。(2)时间混色法。(3)生理混色法。4.色度三角形三基色混合所产生的各种颜色,可以由色度三角形予以说明,如图1―27所示。图1―27色度三角形1.3.4计色制及色度图1.配色实验配色实验可通过比色来进行,其示意图如图1―28所示。从基色调节装置上分别读出各个基色的数量,由此可写出配色方程式F=R(R)+G(G)+B(B)(1―6)图1―28配色实验示意图对于等能白光,R=G=B=1,即FE白=1(R)+1(G)+1(B)(1―7)其光通量为｜FE白｜=1×1+1×4.5907+1×0.0601=5.6508lm(1―8)式(1―6)的配色方程式,适合于配制一切彩色,只不过对于不同彩色三色系数不同而已。2.计色制及色度图(1)RGB计色制及其色度图以(R)、(G)、(B)为单位量,用配色方程进行彩色量度和计算的系统称为RGB计色制。实际中,彩色的质的区别决定于色调和饱和度,即色度。色度与三基色系数的比例有关。为此,引入三基色相对系数r、g、b。令m=R+G+B,则r、g、b分别为RrmGgmBbm(1―9)因为R、G、B三个色系数的比例关系与r、g、b的比例关系相同,所以它们都可以表示同一彩色的色度,且由于r、g、b三者之和为1,所以只要知道其中两个的值,就可由式(1―10)确定第三个的值。因此,只要选两个三基色相对系数,就可用二维坐标表示各种彩色光的色度。RGB色度图就是在r—g直角坐标系数中表示各种彩色光色度的平面图,如图1―29所示。1RGBrgbmmm(1―10)(2)XYZ计色制及其色度图计算三基色具有如下特点:①可根据F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)方程式配出实际颜色,且三个色系数X、Y、Z均不为负。②规定系数Y在数值上等于彩色光的全部亮度,合成光的色度仍由X、Y、Z三个系数的比值决定。③当X=Y=Z时,仍代表E白。据以上各点,可求出两种计色制三基色单位量及三基色系数之间的对应关系。(X)=0.4185(R)-0.0912(G)+0.0009(B)(Y)=-0.1578(R)+0.2524(G)+0.0025(B)