电视传像基本原理

2.1.1图像顺序传送原理1.图像的表示法根据三基色原理彩色图像由红、绿、蓝三个基色图像叠加而成。对于彩色电视，每一个平面活动基色图像都可以表示成空间坐标x、y和时间t的三维连续函数：fR(x,y,t);fG(x,y,t);fB(x,y,t)对于黑白电视，平面活动图像只是亮度图像，表示为fL(x,y,t)§2.1电视系统组成原理电视系统：摄像→传输→显像第2章电视传像基本原理根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，可以把一幅平面图像通过空间采样离散化成许多小单元，这些细小单元具有单一的亮度和色度，称为像素（pixel）。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。根据人眼的视觉惰性可以通过时间采样把连续的景物分解成一幅幅时间不连续的画面，只要画面的显示频率高于临界闪烁频率，就可以获得连续活动图像的感觉。•通过空间采样和时间采样，每一个平面活动基色图像都可以表示成空间坐标m、n和时间k的三维离散函数:fR(m,n,k);fG(m,n,k);fB(m,n,k)对于黑白电视，平面活动亮度图像可表示为：fL(m,n,k)•通过电视图像离散化压缩了需要传送的信息量，但是如何传送三维活动电视图像？2.图像的顺序传送•若把不同位置上的像素同时转变成相应的电信号，分别用相应信道同时并行传送出去，至少需要40万个信道，不经济，也不可能。•利用人眼的视觉惰性，采用顺序传送方法，将各个像素的光信号按一定的顺序变成电信号在一个信道内传输，接收端再按同样的顺序将电信号变成光信号，只要速度足够快，人眼感觉图像就是完整和连续的。顺序传送示意图传输通道开关同步对比:同时传送示意图3.扫描将光图像转换成顺序传送的电信号的过程及其逆过程称为扫描。fL(m,n,k)三维图像信号f(t)一维电视信号扫描行扫描————正程：从左到右水平扫描扫描逆程：快速从右端返回左端场扫描———正程：从上到下垂直扫描逆程：快速从下端返回上端在时间上每帧图像周期重复上述扫描2.1.2光-电/电-光转换原理•发端：通过摄像机实现光（三维图像）——电（一维信号）转换•收端：通过显像管或显示屏实现电（一维信号）——光（三维图像）转换1.摄像•CCD摄像机，CCD（ChargeCoupleDevice）：电荷耦合器件MOS（MetalOxideSemiconductor）：金属氧化物半导体•CMOS摄像机，CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):互补金属氧化物半导体彩色电视传送示意图读出移位寄存器（遮光）图像信号感光单元存贮转移区光敏成像区转移移位寄存器（遮光）帧转移CCD摄像机三相CCD电荷转移（参见5.2.3节）2.显像•阴极射线管（CathodeRayTube—CRT)工作原理由电子枪阴极发出电子束，在偏转磁场作用下，按照与摄像管相同的扫描规律，在高压阳极的吸引下轰击荧光屏。电视信号加到显像管的栅极，控制电子束的能量，从而控制荧光粉的发光亮度，使荧光屏正确重现发端图像。（1）空间混色方式•荫罩式彩色显像管三枪三束显像管RGB点阵单枪三束自会聚显像管RGB点阵（参见6.4.5节）品字形排列一字形排列•新型显示器：平板显示器(FPD-FlatPanelDisplay)参见6.9节液晶显示器：LCD(LiquidCrystalDisplay)液晶显示器件本身不发光，而是利用液晶的电光效应，通过施加电压改变液晶的光学特性，从而组成对入射光的调制，是通过液晶的透射光或反射光受所加电压的控制，达到显示的目的。透射型显示反射型显示投影型显示液晶显示器依驱动方式：静态驱动（Static）简单矩阵驱动（SimpleMatrix）：扭转向列型（TN）、超扭转向列型（STN）有源矩阵驱动（ActiveMatrix）：薄膜式晶体管型（TFT）•新型显示器：平板显示器(FPD-FlatPanelDisplay)参见6.9节液晶显示器：LCD(LiquidCrystalDisplay)扭曲向列型LCD原理薄膜晶体管驱动简单矩阵驱动信号电压扫描电压衬底红绿蓝滤色膜液晶阀基片冷阴极荧光灯亮状态暗状态thsVVV等离子体显示屏PDP(PlasmaDisplayPanel)等离子体是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态，也可以说是气体放电的主体。等离子体显示器是将成千上万个极小的冷阴极放电管（等离子管）封在两层玻璃之间构成屏幕，利用在其阳极和阴极间加一定的电压，是管内的气体产生辉光放电。放电气体为氖氙混合气、氦氙混合气或氦氖氙混合气等。按工作方式不同分为直流型（DCPDP）和交流型（ACPDP）两大类。PDP是一种主动发光型显示器。等离子体显示屏PDP(PlasmaDisplayPanel)惰性气体辉光放电红绿蓝荧光粉表面放电式ACPDP单元表面放电式彩色ACPDP结构维持电极（脉数调制）2.同时投影混色方式：参见6.10节•CRT背投光源信息源合一•LCOS硅基板液晶(LiquidCrystalOnSilicon)光源信息源分离PBS-极化分光镜：反射S偏振光，投射P偏振光•DLP数字光处理器(DigitalLightProcessing)光源信息源分离像素单独控制DMDDigitalMicromirrorDevice数字微镜器件根据显示的数据信息控制微镜在一帧内开关的时间间隔TIR棱镜—全反射棱镜（高速旋转）逐行扫描电流波形：（a）行扫描锯齿波电流（b）帧扫描锯齿波电流§2.2电视扫描原理以CRT显像管为例，通过行（水平）扫描和帧（垂直）扫描共同形成矩形扫描光栅：2.2.1逐行扫描逐行扫描光栅a.只有行扫描时b.只有场扫描时c.帧正程扫描d.帧逆程扫描e.消去行帧逆程后的扫描光栅逐行扫描动画•行扫描基本参数行正程扫描时间:，行逆程扫描时间:行扫描周期：，行扫描频率：•帧扫描基本参数帧正程扫描时间:，帧逆程扫描时间:帧扫描周期：，帧扫描频率：•正程扫描时间占整个扫描周期的大部分：行扫描逆程系数：，一般18％帧扫描逆程系数：，一般8％•每帧的光栅互相重叠，设每帧扫描行数为Z，则：HtTHrTHHtHrTTT1/HHfTFtTFrTFFtFrTTT1/FFfT/HrHTT/FrFTTHFfZf2.2.2隔行扫描1.隔行扫描的提出•我国标准为625行/帧（按帧正程600行计算），帧频50Hz，每行有800个像素(按400个正弦波周期计算)，采用逐行扫描方式，要求电视信号带宽为：对电子线路系统和频率资源都提出很高的要求。•希望使电视信号带宽减半。一种方法是帧频减半，会引起电视画面的大面积闪烁；另一种方法是每帧扫描行数减半，会引起垂直分解力降低，图像清晰度下降。这两种方法都不可取。•根据人眼的视觉特性，一帧图像分两场扫描，一场扫描奇数行，另一场扫描偶数行，两场合为一帧，即采用隔行扫描方式。此时：活动图像25帧/秒=50场/秒临界闪烁频率=48Hz每场扫描行数：312.5行，每帧扫描行数：625行,理论垂直分解力不变。由于帧频减半，电视信号带宽减半：Δf=6MHz即在不引起大面积闪烁同时垂直分解力基本不变的情况下，比逐行扫描方式节省一半信号带宽。5060040012MHzf2.隔行扫描光栅的形成奇数行扫描（奇数场）偶数行扫描（偶数场）两场均匀镶嵌形成一帧图像隔行扫描应满足的基本要求•每帧起点相同，各帧扫描光栅重叠。要求：每帧必须为整数行；•相邻奇偶两场光栅均匀镶嵌，各场扫描波形一样，要求：每场为整数行加半行，即每帧必须为奇数行，Z=2n+1行频与场频关系：211222HVfZnnf•隔行扫描光栅忽略行场扫描逆程的隔行扫描光栅示意图•我国模拟电视扫描标准：•隔行扫描，每帧625行，每帧两场，每场312.5行•帧频：，场频：•场周期：(，)•行频：•行周期：(，)50HzVf20msVT18.4msVtT1.6msVrT2562515625HzHf64μsHT52μsHtT12μsHrT25HzFf3.隔行扫描的缺点•行间闪烁效应每行按帧频25Hz出现，低于临界闪烁频率，观看比较亮的细节，会感觉行间闪烁。•并行现象a.真实并行:行逆程以及扫描非线性等因素使奇偶场光栅不能均匀镶嵌。b.视在并行:若图像中的运动物体在垂直方向有足够大的速度分量，例如每场刚好下移一行，则后一场物体图像与前一场相同，看起来好象两行变成一行。视在垂直分解力：是逐行扫描垂直分解力的倍（隔行因子）。•高速水平运动物体出现垂直边缘的“锯齿化”现象。iK0.6~0.7iK2.2.3扫描的同步1.同步扫描为了正确重现图像，发送端和接收端的扫描必须严格保持步调一致，即同频同相。行不同频：行频略高行频略低原图像场不同频：场频略高（图像向下移动）；场频略低（图像向上移动）行、场不同相：1234567812345678721234567845待传送图像收、发端扫描相差半行收、发端扫描相差半场为了实现同步扫描，电视发送端每扫描完一行加入一个行同步脉冲；每扫描完一场加入一个场同步脉冲。行同步脉冲和场同步脉冲组合成复合同步脉冲：行同步场同步312.5行2.5行4.7μs2.消隐：扫描逆程期间信号电平为黑电平，使电子束截止，屏幕为黑色，起到消隐逆程光栅痕迹的作用。行消隐脉冲：脉宽12μs，场消隐脉冲：脉宽1.6ms（25行），二者组成复合消隐脉冲：场消隐1600μs(25行)12μs黑电平行消隐负极性电视信号•复合同步脉冲仅起控制同步作用，不应在屏幕上显示出来，故叠加在复合消隐脉冲之上。4.7μs1.6μs5.7μs行同步脉冲和行消隐脉冲的时间关系同步电平100%黑电平70%12μs前肩后肩160μs(2.5TH)160μs(2.5TH)1600μs(25TH)场同步脉冲和场消隐脉冲的时间关系•用幅度分离方法实现复合同步脉冲与图像信号分离。复合同步信号演示•用微分与积分方法实现行同步脉冲与场同步脉冲分离。0.2TRC•行同步分离：微分电路（T为行同步脉宽4.7μs）入出AB•开槽：为避免行同步失落而造成行不同步，在场消隐期间仍需传输行同步，在场同步期间，需要对应每行的位置开一个宽为4.7μs的槽。3.为便于行场同步分离所采取的措施•场同步分离：积分电路出入AC触发电平分离的场同步脉冲开槽的复合同步RCT•问题：由于一场中最后一个行同步到达奇数场和偶数场场同步前沿的时间不同，造成积分电容上的起始电压不等，使奇偶相邻两场的积分波形不同，另外，奇、偶场开槽的位置不同也使积分波形不同，造成奇、偶场积分波形到达同一触发电平的时刻不同（相差Δt），使相邻两场扫描的起始位置不同，影响隔行扫描的准确性。积分输出波形演示•措施：加均衡脉冲、槽脉冲，使相邻两场的复合同步信号通过积分后波形一致。在场同步期间每半行加一个槽脉冲。在奇偶相邻两场场同步信号的前后2.5行每隔半行加一个均衡脉冲，为使每半行加一个脉冲后积分电容上的电压不增加，要把脉冲宽度减半，即4.7μs的一半为：2.35μs。前5个脉冲为前均衡脉冲后5个脉冲为后均衡脉冲黑白全电视信号黑白全电视信号2.3.1图像的几何特征θVθHD=34H普通电视4:3幅型比屏幕尺寸标清电视4：334in.高清电视16：934in.垂直视角水平视角θV=15°θH=20°θV=17°θH=30°§2.3电视图像的基本参量•几何失真非线性畸变行、场扫描非线性系数：maxminHmaxmin/2ddβdd×100%,要求非线性失真系数β＜10%maxdmindmaxhminhmaxminVmaxmin/2hhβhh×100%枕型畸变桶型畸变QΔQGΔGVGDG,HQDQ要求几何畸变系数D3%几何畸变系数：几何畸变2.3.2图像的连续性与场频的确定为不使人眼产生闪烁感，要求场频≥48Hz,（50,60,100,120Hz）2.3.3扫描行数及有关参数的确定•图像清晰度：主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度•电视系统分解力：电视系统传送图像细节的能力电