第22节兼容彩色电视的基本特征

第2章彩色电视原理2.2、兼容彩色电视的基本特征一、兼容的必备条件二、实现兼容的基本措施1、信号选取2、恒定亮度原理三、彩色电视信号的频带压缩1、大面积着色原理2、高频混合原理3.频谱交错原理四、彩色电视的制式2.2彩色电视信号的兼容问题彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的，彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及，到目前为止，仍有不少的黑白电视机还在使用。为了普及电视广播、减少国家和千千万万电视用户不必要的损失，彩色电视应该与黑白电视兼容。所谓兼容，就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视接收机既能接收黑白电视信号，也能重现黑白电视信号。要做到黑白、彩色电视互相兼容，必须满足下列基本的要求：(1)在彩色电视的图像信号中，要有代表图像亮度的亮度信号和代表图像色彩的色度信号。黑白电视机接收彩色节目时，只要将亮度信号取出，就可显示出黑白图像。彩色电视接收机应具有亮度通道和色度通道，当接收彩色节目时，亮度通道和色度通道都工作，重现彩色图像；当接收黑白节目时，色度通道自动关闭，亮度通道相当于黑白电视机，可显示出黑白图像，这样就做到了兼容。一、兼容的必备条件(2)彩色电视只能占有与黑白电视相同的视频带宽和射频带宽，这就要求彩色电视能将色度信号安插到6MHz的视频带宽中去，采用的方法是频带压缩、频谱交错等方法。(3)彩色电视应与黑白电视有相同的图像载频、伴音载频以及两者之间的间距。(4)彩色电视与黑白电视的行、场扫描频率和行、场同步信号的各项标准等都应相同。目前世界上彩色电视制式有NTSC制、PAL制和SECAM制三种，它们都具有兼容性。其中，实现兼容最根本的条件是彩色电视必须以和黑白电视相同的带宽传送亮度信号和色度信号。当fv=50Hz,Z=625行时，黑白电视图像信号（即亮度信号）约占6MHz带宽。因此必须在6MHz的带宽内同时传送亮度信号和色度信号，否则就无法实现兼容。人们通过对人眼视觉特性的，充分地应用色度学原理与电子电路技术的成就，采用恒亮传输方式和彩色电视信号的频带压缩措施，解决了在6MHz带宽内同时传送亮度信号和色度信号的，问题成功地实现了彩色电视与黑白电视的兼容。1、信号选取彩色电视为了与黑白电视兼容，必须传送一个亮度信号，以便黑白电视机接收。根据彩色具有亮度、色调和饱和亮度三个要素的理论，传送彩色图象必须选用三个独立的信号。除了亮度信号外，还必须选择另两个信号来代表彩色的色度信息。这两个信号与色调和饱和度之间应存在确定的相互变换关系。例如用x、y坐标值。但是，彩色电视中常用两个色差信号B－Y和R－Y来代表色度信息，必须对由CCD光电传感器输出的R、G、B三个基色信号进行处理。首先用一个编码矩阵电路根据Y=0.30R+0.59G+0.11B的亮度公式编出一个亮度信号和R-Y、B-Y两个色差信号。色差信号是基色信号R、G、B与亮度信号Y之差：二、实现兼容的基本措施R-Y=R-(0.30R+0.59G+0.11B)=0.70R-0.59G-0.11BG-Y=G-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R+0.41G-0.11BB-Y=B-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R-0.59G+0.89B三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可以由另外两个得到，只要选择两个色差信号就可以代表色度信号。将Y=0.30R+0.59G+0.11B改写为如下形式：0.30Y+0.59Y+0.11Y=0.30R+0.59G+0.11B得到0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0可以化为0.590.11()()0.30.30.30.11()()0.590.590.30.11()()0.110.3RYGYBYGYRYBYBYRYGY三大制式均选用R-Y和B-Y作为色差信号的原因是：(1)三个色差信号中，G-Y信号数值最小，作传输信号时信噪比最低。(2)由R-Y和B-Y求G-Y时，系数和小于1，可用电阻矩阵实现；由B-Y、G-Y求R-Y或用R-Y、G-Y求B-Y，系数都大于1，不能用电阻分压来实现，一定要用放大器提供增益，这样会增加系统的复杂性和带来不必要的失真。0.30.590.110.590.590.11()()0.30.30.30.11()()0.590.590.30.11()()0.110.3RYGYBYGYRYBYBYRYGY用色差信号传送色度信号具有以下优点：(1)可减少色度信号对亮度信号的干扰,当传送黑白图像时,R=G=B,两个色差信号R-Y和B-Y均为零，不会对亮度信号产生干扰。(2)能够实现亮度恒定原理，即重现图像的亮度只由传送亮度信息的亮度信号决定。(3)可节省色度信号的发射功率。在彩色图像中大部分像素接近于白色或灰色，它们的色差信号为零，小部分彩色像素才有色差信号，因此发射色差信号比发射R、G、B信号需要的发射功率小。2、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，由于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。黑白电视机收到这种彩色电视信号后，色度对正常黑白图象的干扰和影响很小，故黑白电视机显象管上只产生与亮度信号成比例的正常的黑白图像。彩色电视机收到这种彩色电视信号后，先变换成上述三种信号，即Yt、(R-Y)t、(B-Y)t，再经解码矩阵按公式还原成Rd、Bd、Gd三基色信号。还原出的R、G、B信号加到彩色显象管三个阴极（或者栅极）上，使荧光屏上重现出正确的彩色图像。采用亮度信号和两个色差信号作彩色电视传输信号的方式，称为恒亮传输方式。它有利于恒定亮度原理的实现，这是一个关键性的突破；它有利于彩色电视和黑白电视的兼容，这是彩色电视研究成功的重要技术之一。三、彩色电视信号的频带压缩用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼容是有利的；但是亮度信号和两个色差信号带宽之和仍是黑白电视信号带宽的3倍。为了兼容，必须对由它们组成的彩色电视信号的频带进行压缩。利用高频混合原理与频谱交错原理，成功地将彩色电视信号的带宽压缩到与黑白电视信号的带宽相同。1、大面积着色原理黑白黑绿黑红绿红黑蓝红蓝绿蓝100％94％90％40％26％23％19％细节色别通过实验发现，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，例如，人眼对不同色调的细节分辨力，在同样亮度下，人们对绿色细节的分辨力较强，而对红、蓝色细节的分辨力较弱。如果人眼对黑白细节的分辨力定为100％，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨能力如右表所示。从表中数据可知，人眼对彩色细节的分辨力是很差的。这即所谓的“彩色细节失明”当重现彩色图像时，对着色面积较大的各种颜色，全部显示其色度可以丰富图像内容，而对彩色的细节部分，彩色电视可不必显示出色度的区别，因为人眼已不能辨认它们之间色度的区别了，只能感觉到它们之间的亮度不同。那么在传送彩色图像时，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信息。而彩色的细节部分，则可以用亮度信息来取代，例如红色：MHzMHzMYzMHzYRYYR6~03.1~06~03.1~0)(这样在接收端所恢复的三个基色信号是：R=(R-Y)0～1.3+Y0～6=R0～1.3+Y1.3～6G=(G-Y)0～1.3+Y0～6=G0～1.3+Y1.3～6B=(B-Y)0～1.3+Y0～6=B0～1.3+Y1.3～6最后重现彩色的三个基色信号在0～1.3MHz频率范围内含有彩色分量，在1.3～6MHz频率范围内只有亮度信号分量。综上所述可得出个重要结论：色度信号只需要在图象的大面积部分进行传送，在图象的细节部分只需传送亮度信号，不必传送色度信号，这就是大面积着色原理。根据这一原理，可用全部视频带宽（例如0～6MHz），传送亮度信号Y，以保证清晰度；可用较窄的频带（例如0～1.3MHz）传送两个色差信号（R－Y），以进行大面积着色。r2、高频混合原理：人们都有这样的生活经验，在黑白照片上，用笔粗略地涂上不同的颜色，就成了彩色照片。画一幅水彩画时，总是先用墨笔描绘出清晰的轮廓，然后用彩笔进行大面积涂色，整个画面就会给人们以细节清晰、彩色鲜艳、生活逼真的印象。大量的事例说明，人眼对彩色细节的分辨力远低于对黑白细节的分辨力。经测定人眼对亮度细节的分辨力极限值为1′～1.5′，对彩色细节的分辨力极限值为6′～10′。也就是说，人眼较容易辨别出彩色图像细节部分的明暗程度，而不容易辨出细节的颜色差别。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。由上式可知，接收端所恢复的三基色信号只含有较低的频率分量（0～1.3MHz），而它们的高频部分（1.3～6MHz），则用同一亮度信号的高频部分来补充。这就是高频混合原理。它是1950年首先由美国A.Bedford提出的。利用这一原理，既节省了频带，又减轻了亮度信号和色度信号共用频带而产生的相互干扰。R=(R-Y)0～1.3+Y0～6=R0～1.3+Y1.3～6G=(G-Y)0～1.3+Y0～6=G0～1.3+Y1.3～6B=(B-Y)0～1.3+Y0～6=B0～1.3+Y1.3～63.频谱交错原理采用恒亮传输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8.6MHz〔Y为6MHz，（B－Y）和（R－Y）各为1.3MHz〕，它还是大于黑白电视信号的带宽。为了兼宽，还需要进行频带压缩。彩色电视和黑白电视采用相同的带宽，用三基色信号形成亮度信号和两个色差信号后，都放在0～6MHz的频带内用一个通道传送。黑白电视的亮度信号虽然占据了6MHz的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围内，在附近并没有亮度信息。在0～6MHz频带内先选择一个频率称为彩色副载波，用两个色差信号对彩色副载波进行调制，调制后的信号称为色度信号。将得到的色度信号与亮度信号、同步信号叠加为彩色全电视信号，再去调制图像载波，称为二次调制。二次调制后的射频信号经功率放大后发射出去。3.频谱交错原理——亮度信号频谱图像信号的频谱待征–以行频及其谐波为中心，形成梳齿状的离散频谱。–随着行频谐波次数的增高，谱线幅度逐渐减小。这说明黑白图像信号的主要能量分布在视频信号的低频端。–无论是静止或活动图像，行频主谱线两旁的副谱线谐波次数不大于20,各群谱线间存在着很大的空隙。–各辅助信号也都是小于6MHz的离散谱。全电视信号具有在0～6MHz范围内、离散分布的频谱结构。亮度信号的频谱大致为以行频为间隔的一簇簇谱线群，但图像的变化不是非常激烈时，各谱线群间有较大的空隙。能量主要分布在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内。电视信号占有0～6MHz的频带宽度，比音频信号的带宽（20Hz～20kHz）大得多。虽然电视图像内容千差万别，但在0～6MHz的带宽内，电视信号的频谱却有着共同特点。这是因为，电视图像是按扫描行进行分解和复合的，又是按帧（或场）频重复的，而行、场扫描又具有严格的周期性，因此虽然电视图像内容是随机的，但电视信号却具有一定的周期性。这种周期性既表现为行周期性，又表现为场周期性。于是可以用分析非正弦周期性函数的方法来分析电视信号。通过傅立叶变换可知，在隔行扫描情况下，对于垂直方向有细节变化的静止图像，其频谱成分为其幅频特性图下页示由图可见，电视信号的频谱有很强的规律性。整个频谱由很多谱线簇组成，谱线簇之间有很大的空白区。每个谱线簇都以行频或行频的整数倍为中心，两边分布有帧频及其各次谐