应用电视

第5章应用电视第5章应用电视5.1摄像机和监视器5.2视频信号的传送和切换5.3视频附加信息的产生与叠加5.4录像技术的发展5.5串行传送控制信号5.6系统控制思考题和习题第5章应用电视5.1摄像机和监视器5.1.1摄像机1.黑白CCD摄像机图5-1是黑白CCD摄像机的方框图。第5章应用电视图5-1黑白CCD摄像机的方框图CCD传感器CDS电路信号放大处理电路叠加电路输出驱动电路驱动脉冲产生电路同步信号产生电路第5章应用电视CDS是相关双取样电路（CorrelatedDoubleSampling），CCD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。为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。每个像素信号被取样后，由一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的垂直CCD移位寄存器多相时钟驱动信号，水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号等各种脉冲信号和视频通道所。第5章应用电视同步信号产生电路产生行推动、场推动、复合消隐、复合同步等各种电视信号脉冲。信号放大处理电路包括AGC放大、γ校正、白电平限幅、黑电平箝位等电路。叠加电路将经过处理的视频信号与复合同步、复合消隐信号叠加成全电视信号。输出驱动电路则将全电视信号进行驱动，适配75Ω电缆。除上述电路外，黑白摄像机还可能会有自动光圈接口电路、电源同步接口电路、外同步接口电路、亮度控制电路等附加电路。第5章应用电视2.三片式彩色CCD摄像机广播电视中常用的是三片式彩色CCD摄像机，图5-2是三片式彩色CCD数字摄像机的方框图。第5章应用电视图5-2三片式CCD彩色数字摄像机方框图G变焦镜头黑白平衡闪光补偿阴影补偿增益补偿RBA/D变换振动校正数据校正彩色校正行场细节自动线性消隐插入数据处理D/A变换PALY数字信号R－Y数字信号分色棱镜主控制器B－Y数字信号Y模拟分量信号R－Y模拟分量信号B－Y模拟分量信号编码预校正预放v第5章应用电视被摄物体的光线从镜头进入摄像机后被分色棱镜分为红、绿、蓝三路光线投射到三片CCD传感器上，分别进行光电转换后变为三路电信号R、G、B。该信号经预先放大和补偿后送入A/D变换器，变换成相应的三路数字信号，再送入数字处理器进行各种校正、补偿等处理，最后输出三路数字信号Y、R-Y、B-Y。为了使数字摄像机适应其他模拟设备，经D/A变换后输出的三路模拟分量信号，最后经彩色编码后输出一路PAL全电视信号。第5章应用电视由于每种基色光都有一片CCD传感器，因此可以得到较高的分辨率。应用电视中所用的彩色摄像机都是单片式彩色CCD摄像机。由于一片CCD传感器要对三种基色光感光，因此单片式彩色CCD摄像机的分辨率较低，但成本也降低了许多。第5章应用电视3.单片彩色CCD摄像机用一个CCD传感器产生R、G、B三种颜色的信号，必须用滤色器将光进行分色。从原理上讲，重复的R、G、B垂直条滤色器完全可以用于单片彩色CCD摄像机，但如果CCD传感器对色光的R、G、B三个分量用相同的采样频率fck进行采样，那么被采样的三种基色光的上限频率必须限制在相同的数值(fck／2)以下。根据接收机中利用人眼对红色、蓝色分辨率低的特点，对三种基色光使用相同的采样频率显然是不合理的，通常采用一种镶嵌式(GCFS，GreenCheckerFieldSequence)滤色器。第5章应用电视图5-3GCFS滤色器RGRGGBGBRGRGGBGB第5章应用电视图5-3是GCFS滤色器，滤色器的每一个小方块表示一个滤色单元，对应于CCD传感器的一个像素。标号为R、G、B的小方块分别表示能透过红光、绿光、蓝光。图5-4是采用GCFS滤色器的单片CCD彩色摄像机方框图。单片CCD传感器输出的信号为红、绿、蓝混合信号，只有通过彩色信号分离电路才能分解出红、绿、蓝基色信号。由于CCD传感器的输出信号是由时钟驱动脉冲控制的，与时钟脉冲有严格的对应关系，因此在取样保持电路中采用由时钟驱动脉冲形成的相位与时钟脉冲一致的脉冲取样，才能分离出相应的基色信号。第5章应用电视图5-4采用GCFS滤色器的单片CCD彩色摄像机方框图全电视信号输出光学低通滤波透镜滤色器CCD传感器GLRBGHG低通彩色分离电路一行延迟彩色编码器低通低通差分放大处理放大处理放大处理放大第5章应用电视图5-5是CCD传感器的光敏单元与滤色器的滤色单元的相对位置关系。垂直方向上每个滤色单元对应于两个光敏单元，在水平方向上每个滤色单元对应于一个光敏单元。存储在滤色单元上部的光敏单元中的电荷包供奇数场使用，存储在滤色单元下部的光敏单元中的电荷包供偶数场使用。第5章应用电视图5-5光敏单元与滤色器的相对位置关系奇场偶场红光滤色单元绿光滤色单元蓝光滤色单元光敏单元第5章应用电视根据色光中的各基色光之间的线性叠加原理，可以认为各种滤色单元是对色光中相应的光分量单独作用的，允许某种基色光通过滤色单元，对那种基色信号来说，相当于一个取样开关。由取样定理可知，要能够从取样后的信号中准确地恢复出原来的信号，被取样信号必须是频带有限的，所以在光信号进入滤色器之前，必须用光学低通滤波器将光的空间频率成分限制在一定的带宽内。考虑到使用GCFS排列滤色器的CCD传感器每一行只输出两种基色信号，因而送到彩色分离电路的信号有两路：一路直接来自CCD传感器；另一路是延迟一行后的信号。第5章应用电视假如第n行的输出信号为u，如图5-6（a）所示，以R、G、R、G、……的顺序排列，经过一行延时后，同时到达分离器的则是前一行的信号u′，以G′、B′、G′、B′、……的顺序排列。在R信号分离器的电路中只需从u信号中取出uR；在G信号分离器中，沿着图5-6（a）中箭头所指的顺序将u和u′中G信号取出并相加得到uG；在B信号分离器中则从u′信号中取出uB。第5章应用电视显然，当n行以R、G、R、G、……的顺序排列时，第n+1行必然以G、B、G、B、……的顺序排列，经过一行延迟同时到达分离器的信号u′以R′、G′、R′、G′、……的顺序排列，信号分离的过程与n行类似，见图5-6(b)。第5章应用电视图5-6在第n行和第n+1行上uR、uG、uB(a)第n行；(b)第n+1行uRRGRGRGuGBGBGBuRRRuGGGGGGGBBBuB(a)uRGBGBGBuRuuGGGBuB(b)GRGRGRRRGGGGBB第5章应用电视CCD传感器的成像单元数目越多，组成UG信号的相邻信号G与G′之间的差别越小，G与G′叠加在一起时越接近于被取样的信号。这意味着，当绿色信号的上限频率fm高于fck／2时，存在于被取样的G和G′信号频谱中的混叠干扰相互抵消得越充分，在电视图像上看不出明显的频谱混叠干扰。所以R、G、B信号的带宽取1.3MHz，按亮度方程组成Y信号(1.3MHz)以后，将高于1.3MHz的GH信号叠加到Y信号中去。第5章应用电视5.1.2摄像机的配套设备与摄像机配套的设备有镜头、红外照明器、支架、电动云台、防护罩等。1.镜头镜头的作用是从被摄物体收集光信号到摄像机光电传感器的光敏区。第5章应用电视1)透镜和光阑镜头是由一组透镜和光阑组成的。透镜分为凸透镜和凹透镜。凸透镜对光线有会聚作用，所以也叫会聚透镜、正透镜。常用的凸透镜有双凸、平凸、正弯月三类，图5-7（a）是三种凸透镜的纵截面示意图。凹透镜对光线有发散作用，所以也叫发散透镜、负透镜。常用的凹透镜有双凹、平凹、负弯月三类，图5-7（b）是三类凹透镜纵截面示意图。第5章应用电视图5-7(a)三类凸透镜；(b)三类凹透镜双凹负弯月平凹双凸平凸正弯月(a)(b)第5章应用电视由于正、负透镜有相反的特性，如像差和色散等，因此镜头中常常用负透镜与正透镜一起配合使用，以校正像差和其他各类失真，以提高镜头的光学指标。在变焦镜头中，既要使镜头的焦距在很大范围内连续可调，又要保证成像面固定地落在摄像机光电传感器的光敏区，所以变焦镜头通常由多组正、负透镜组成。第5章应用电视能进入镜头成像的光束，其大小是由透镜框和其他金属框决定的。往往这样限制光束还不够，还要在镜头中设置一些带孔的金属薄片来限制光束，称为光阑。光阑的通光孔一般呈圆形，其中心在透镜的中心轴上。镜头的金属框也是一种光阑。第5章应用电视(1)孔径光阑为了调节镜头的进光量，普通镜头都有光圈调节环，调节环的转动带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心作伸缩运动，这一套装置称为可变孔径光阑。孔径光阑经其前面透镜组在物方空间所成的像称为镜头的入射光瞳，简称入瞳。对一定位置的物体来说，入瞳完全决定了能进入镜头成像的最大光束孔径，并且是物面上各点发出的进入镜头成像光束的公共入口。第5章应用电视(2)视场光阑物方空间可以被镜头清晰成像的范围称为镜头的视场，镜头中限定成像面大小的光阑叫视场光阑。(3)渐晕光阑不在透镜中心轴上的点发出的充满入瞳的光束进入镜头后，有一部分光束被透镜框挡住，只有中间一部分光线可以通过镜头成像。这就使不在中心轴上点的成像光束小于轴上点的成像光束，从而使成像面边缘的光照度降低而变暗，这种现象称为轴外点的渐晕。显然点离开镜头中心轴越远，渐晕越大。对轴外点产生渐晕的光阑称为渐晕光阑。第5章应用电视(4)消除杂光光阑由非成像物点射入镜头的光束或由折射面和镜头内壁反射产生的光束称为杂光。杂光会使镜头成像面产生明亮的背景，降低了像和背景的对比度，是非常有害的，必须加以限制，一般镜头将镜头内壁加工成螺纹并涂上黑色无光漆以达到消除杂光的目的。第5章应用电视2)镜头的基本参数镜头的基本参数有焦距、最大相对孔径、视场角、接口形式等。(1)焦距由物方射入一束平行且接近光轴的光，经过镜头的多组透镜，出射光线交于光轴F点，称为焦点。焦点到镜头中心的距离是焦距，(过入射光线与出射光线的交点作垂直于光轴的平面，平面与光轴的交点是镜头的中心)焦距一般用f表示。焦点到镜头最后一面的距离称为镜头的后截距，见图5-8。第5章应用电视只有变焦镜头的焦距是连续可变的，手动调焦镜头调节调焦环并不改变焦距。调焦环上标有0.5、1、2、4、∞表示物体距离为0.5m、1m、2m、4m、∞时调焦最好，。第5章应用电视(2)相对孔径相对孔径是入射光瞳直径D与焦距f之比。镜头都标出相对孔径最大值，例如一个镜头标有“TVLENS8mm1∶1.4”表示这是一个电视镜头，焦距为8mm，最大相对孔径是1∶1.4，也就说镜头允许的最大入射光束直径为5.7mm。光圈是相对孔径的倒数，用F表示，F16就是相对孔径D／f=1∶16，在镜头的调节环上将字母F省略，光圈调节环上常标有的1.4、2、2.8、4、5.6、8……C是光圈数，第5章应用电视因为像面照度与相对孔径的平方成正比，要使像面照度为原来的1／2，入射光瞳就应是原来的，因此每挡的F数相差倍，光圈增大一挡，像场照度提高一倍，这是1900年巴黎会议规定的标准。当光瞳直径为零时叫全光闭，用Close的词头C来表示。1/21/2第5章应用电视(3)视场角摄像机的光电传感器是4∶3的矩形，宽为w、高为h，对角线长为d。镜头的水平视角ωw、垂直视角ωh、对角线视角ωd2arctan22arctan22arctan2whdfhfdf（5-1）（5-2）（5-3）第5章应用电视例如摄像机的光电传感器尺寸为4.8mm×3.6mm，对角线尺寸为6mm,8mm的8mm（1／3英寸）镜头。水平方向视角4.82arctan33.4283.62arctan25.42862arctan41.128whd垂直方向视角对角线视角第5章应用电视图5-8是垂直方向视角的示意图。图5-8垂直方向视角的示意图h成像面fh后截距镜头第5章应用电视实际的镜头视场角经常偏离理论值，所以若要精确计算仍应查阅镜头的技术指标。12mm（1／2英寸）的镜头装在8mm（1／3英寸）的摄像机上，摄像机的视角比镜头标明的视角小,如图5-9(a)所示；8mm（1／3英寸）的镜头装在12mm（