第二章光电转换与电视信号

第二章光电转换与电视信号电影：电影和电视的相同点都是用来显示活动图象，它是根据人眼的视觉惰性，在一秒中内连续放映24幅图象从而产生图象活动的感觉。对电视系统来说，关键的问题是如何将景象或图象变成电信号以及在接收端再复原成图象并且活动起来。为了便于理解电视的基本原理，我们不妨从三个已成熟且较简单的事物入手来分析，着就是电影、传真和无线电语音广播。如上图,视觉暂留时间约0.1s，所以当f10帧/秒时，感觉出活动感，但这时有跳动感，要实现连续感则f24帧/秒；这时图象仍有闪烁感，为消除闪烁感，则需要f46帧/秒。结论：显示活动图象应有f24帧/秒。传真：传真与电视的共同点都是传送（静止）图象和文字的。其传送过程是：将图象分解成像素→变成电信号→通过机械扫描将像素恢复合成图象。结论：传送图象通过传送像素来实现。无线电广播：无线电广播与电视的共同点都是远距离传送电信号，其工作过程是将声音转换成电信号→放大后调制载波发送出去→接收机收到电信号后通过信号处理还原成原来的声音信号，即：声→电→声.结论：远距离传送电信号通过载波调制方式来实现。受以上三方面启发，在电视发送端将图象分解成许许多多的像素（约40万个）→将亮度转换成电信号（图象信号）→载波调制发射→信号接收处理→像素合成；而且为保证图象活动的连续性，f24帧/秒，这样在一秒钟内将有2440万像素，只能采用电子扫描的方式来进行。2.1电视传像原理2.1.1顺序传送原理1.图象的表示根据三基色原理，彩色光需要用三个基本参量来描述，即亮度L(Lightness)、色调H(Hue)和饱和度S(Saturation),此外景物的形状需用空间坐标x、y、z表示，并且若是活动图象还是时间t的函数，即L、H、S都是四维函数，因此任何图象都可用下列方程组表示：L=fL(x,y,z,t)H=fH(x,y,z,t)S=fS(x,y,z,t)若传送的是二维图象，则变为：L=fL(x,y,t)H=fH(x,y,t)S=fS(x,y,t)讨论最简单的黑白图象，则只有亮度方程：L=fL(x,y,t)2.图像分解与顺序传送方法：同时传送（并行）顺序传送（串行）实现顺序传送需解决三个问题：(1)图像→像素→电信号(2)电信号→图像(3)同步2.1.2图像摄取与重现2.1.2.1图像摄取光图像→电信号光电效应：光敏材料的电阻率随光照的强弱而不同，这种现象叫光电效应。利用光电效应即可实现光电转换。光电转换：利用光电效应将光图像转换为电信号的过程。光电转换在摄像管中实现。摄像管：由镜头、光敏靶、偏转系统和电子枪组成，具体结构如图。定义：与图象像素亮度成比例的电信号称为图象信号。根据光电转换电路结构的不同，产生的图像信号有两种：若信号电平与图像像素的亮度成正比U(L)L或U(L)=kL，这种图像信号称为正极性图像信号；反之，如果信号电平的大小与图像的亮度成反比U(L)1/L或U(L)=k/L，则这种图像信号称为负极性图像信号。今后若不特别说明则指负极性信号。我国电视标准规定发射时采用负极性图像信号。2.2电视扫描原理如前所述，电视图像的摄取与重现是基于光和电的相互转换，然而，把空间的光图像变成随时间变化的电信号，以及把随时间变化的电信号再转换成一幅平面图像，则是通过电子扫描完成的。下面以显像管为例介绍电视扫描的原理。按电子的运动规则可分为直线扫描和非直线扫描（如圆扫描、螺旋扫描等。见天津大学编教材）。在电视系统中采用匀速直线扫描方式。直线扫描按扫描行的次序又分为逐行扫描和隔行扫描。2.2.1逐行扫描定义：一行挨一行的扫描方式称为逐行扫描。为使电子束作匀速直线扫描，在水平（行）与垂直（场）偏转线圈加入的都是锯齿波电流，如下图。A.iH0,iV=0当只有行锯齿电流流过行偏转线圈时,电子束将在水平方向上受到偏转力，产生水平方向的扫描，称为行扫描。这时在屏幕中间显示一条水平亮线。电子束从左到右的扫描称为行扫描正程，用THt表示。电子束从右快速返回到左的扫描称为行扫描逆程，用THr表示。正程用来显示图像，而逆程仅仅是为了返回左端开始下一行的重复扫描，故一般有THr《THt,来回扫描一行的时间称为一个行周期，用TH表示，TH=THt+THr。fH=1/THB.iV0,iH=0若只有场锯齿电流流过场偏转线圈时,电子束将在垂直方向上受到偏转力，产生垂直方向的扫描，称为场扫描。这时在屏幕中间显示一条垂直亮线。电子束从上到下的扫描称为场扫描正程，用TVt表示。电子束从下快速返回顶端的扫描称为场扫描逆程，用TVr表示。正程用来显示图像，而逆程仅仅是为了返回顶端开始下一场的重复扫描，故一般有TVr《TVt来回扫描一场的时间称为一个场周期，用TV表示，TV=TVr+TVt。fV=1/TV.C.iV0,iH0，即同时加有行场扫描电流。由于fH》fV(即TH《TV)，因此电子在作快速水平运动的同时还作垂直方向运动，在屏幕上出现的是稍微倾斜的直线光栅。可以想象，如果一场中扫描行数很多，则光栅的倾斜度就会减小，甚至看不出倾斜，而被近似认为是水平直线光栅。D.为使图像清晰而均匀，在逆程期不传送信号，所采取的措施是在逆程期使电子束截止，使之不显示光线（称消隐），因此为获得有效光栅，必须使THr《THt，TVr《TVt。一般规定：=THr/TH,称为行扫描逆程系数，一般在18%左右；=TVr/TV，称为场扫描逆程系数，一般在8%左右。E.在逐行扫描方式中，为保证光栅稳定清晰，应使每场的光栅互相重叠，设扫描行数用Z表示，则TV=ZTH，即为整数倍关系，而且行数越多，图像越清晰，当行数足够多时，人眼将分辨不出行结构，只能看到均匀发光的面。2.2.2隔行扫描逐行扫描解决了图像的顺序传送与接收，但为不产生闪烁感及保证清晰，要求fV46Hz，Z500。这样出现的问题是图像信号的频带很宽，从而造成设备复杂化，那么能否在既不引起闪烁又不导致清晰度下降的情况下使频带减小呢？为此借用电影的显示原理，采用隔行扫描的方式，每秒钟送25幅图像，每幅画面分两场扫描，这样人眼在主观感觉上与每秒出现50幅图像相同。隔行扫描定义：将整个光栅分奇偶行进行两次扫描，先从上到下扫1、3、5、……奇数行，形成奇次场；然后再从上到下扫2、4、6、……偶数行，形成偶次场，两场光栅互相嵌套、均匀镶嵌，共同构成一幅完整的光栅，这种扫描方式叫做隔行扫描。因为两场合在一起的总行数不变，故清晰度未减，且送50场，也无闪烁感。下面以7线光栅为例说明隔行扫描的原理和过程。1．为简单，先假设行场逆程时间都为零。如下所示，隔行扫描要求一帧的扫描行数为奇数行，这样才能保证每场皆有半行，从而使两场光栅均匀镶嵌。隔行扫描2．行场逆程皆不为零，并设TVr=TH由图可见，当考虑到逆程时间后：（1）.第一场的结束和第二场的起点并不在行的中心（为什么？）（2）.场逆程占有一行时间，因此每帧有两行用于回扫，帧扫光栅只有5行。（3）.每场都包含有半行。综上所述，隔行扫描应满足的要求可归纳为两条：（1）.对于每一帧，扫描的起点应相同，以保证各帧光栅的重叠，这就要求每帧的扫描行数为整数。（2）.相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度，只有每场都包含半行才能做到这一点，因此每帧必须是奇数行。故：Z=2n+1隔行扫描存在的缺点A．行间闪烁效应：因为fV=50Hz,而每一行的亮度却是按帧频重复的，即每秒出现25次，低于临界闪烁频率，所以当我们观看较亮的细线时，会有闪烁感。B．并行现象：在隔行扫描中，要求行场扫描频率之间保持严格关系，否则两场光栅不能均匀镶嵌，严重时甚至会重叠在一起，这就是并行现象，它将使清晰度下降；另外对扫描电流幅度和线性都有较高要求，否则都是引起并行现象的因素。C.“锯齿化”现象：当物体的水平速度足够大时，物体垂直边缘因隔行分场传输，会发生在相邻场光栅中左右错开的“锯齿化”现象，隔行越多，错开程度越严重。实验研究表明，在扫描行数相同情况下，2:1隔行扫描的视在垂直分解力相当于乘上一个隔行因子Ki(0.6～.07)2.3电视图像基本参量为获得高质量的图像,就应使重显图像的特征尽可能与原图像一致,衡量电视图像的基本特征有以下几个方面:图像的几何特征图像的亮度与对比度层次图像清晰度图像的连续性和无闪烁感(包括场间闪烁与行间闪烁)图像的色度根据对这些特征的要求,由此确定了电视系统的一系列指标和标准,如扫描参数、频带、各种非线性失真系数的确定.一、图像的几何特征所谓几何特征即图像各部分的比例关系是否合适,以及容许的失真程度。①.根据人眼的视觉特性,视觉最清楚的范围是垂直夹角15、水平夹角20的一个矩形区域,由这一特点,目前各国电视接收机的屏幕皆采用矩形,且宽高比K=4:3(宽高比称为电视屏幕的幅型比,一般用K表示)。增大屏幕尺寸(大屏幕)和视角可以改善临场感和真实感。②.收发两端的K应相同。矩形屏幕的大小常用对角线表示,如23cm、47cm、54cm等,若收发两端幅型比K不同,则重显图像就有可能失真(如压扁或拉长等)。③.扫描电流的非线性程度影响图像的几何相似性。由于直线扫描应是匀速直线性,扫描线性不好将引起几何失真。通常采用棋盘格信号进行测试,如下图。图(a)是行场线性良好时的标准图案,图(b)表示因iH线性不好而造成的畸变(开始扫描快,然后变慢);图(c)表示因iV线性破坏而造成的失真.一般用扫描非线性系数来衡量非线性畸变的程度,设没有畸变时=0,图像由许多大小相等的方格组成;有非线性时,≠0,将产生大小不等的格子,为此作如下定义:=(dmax-dmin)/[(dmax+dmin)/2]=(hmax-hmin)/[(hmax+hmin)/2]实验表明,当10%时,不感到有严重失真,若5%,则感觉不到有非线性失真。由偏转系统或杂散磁场等因素而引起的各种图形畸变称为几何畸变.图(d)为枕形畸变。图(e)为桶形畸变(或鼓形畸变)。几何畸变用几何畸变系数D衡量。DgH=ΔQ/QDgV=ΔG/G通常要求Dg3%,在扫描电路中设有校正电路使畸变系数达到要求。二、亮度和对比度。一幅图像光通量的大小称为图像的亮度。根据实测,电视图像的平均亮度应大于30nit(1nit=1烛光/米2),最大亮度Bmax100nit。对比度:图像最亮处的亮度Bmax与最暗处的亮度Bmin之比叫做对比度，即对比度C=Bmax/Bmin，一般C能达到3040就很满意了。对比度除了与电视本身有关外,还与观看条件有关,若有杂散光线照射,则对比度C=(Bmax+B′)/(Bmin+B′),这时对比度就会下降。因为图像由亮度不同的像素组成,对比度越大,从最亮到最暗处能分辨的亮度级数就多,就越能看清图像层次,图像就越清晰和逼真。三、清晰度与分解力.图像清晰度是指人眼主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度，它与电视系统传送图像细节的能力有关，这种能力称为分解力或分辨力。定义:电视系统传送图像细节的能力,称为电视系统的分解力。显然扫描行数越多,分解成的像素数就越多,图像细节就呈现得越清楚,主观感觉到的清晰度就越高,因此可以说扫描行数决定分解力。∵像素数=行数×行元数(一行内的像素数)故可以将分解力分为垂直分解力与水平分解力分别讨论。1.垂直分解力定义:沿图像垂直方向所能分解的像素数(或黑白相间的条纹数)。用M表示垂直分解力,可见它受行数限制,但M≠Z,因为分解图像时,并非每一行都有效。它的含意有两个:a.在扫描逆程期内,被消隐的行数不分解图像,故有效行数为Z(1-β)。b.由于像素与扫描线的相对位置不同,并非每一有效行都代表垂直分解力。详见下图。图(a)示黑白条恰好与扫描线重合,相邻两行信号完全不同,重现图像保持原来分辨率,这时为最佳,M=Z(1-β)；图(b)示扫描线恰好覆盖黑白条各一半,则各行信号皆相同(平均值),重现图像为一灰带,完全失去细节,即失去垂直分解力,我们可以说这时其M=0；图(c)示减少一半条纹,则又能重现黑白条纹图像,但这时垂直分解力只有有效行数的一半,即M=0.5Z(1-β)。实际的图像