第2章电视图像的传送原理

第2章电视传象基本原理第2章电视传像基本原理2.1电视传像原理2.2电视图像基本参数2.3黑白全电视信号的组成思考题和习题第2章电视传象基本原理2.1电视传像原理电视广播用无线电波传送活动图像和伴音。传送伴音要把随时间变化的声能变成电信号传送出去，接收机再把电信号转换为声音。传送活动图像要在发送端把亮度信息从空间、时间的多维函数变成时间的单变量函数电信号。第2章电视传象基本原理人眼的分辨力是有限的，当人眼看图像上两个点构成的视角小于1′时，眼睛已不能将这两点区分开来。根据这一视觉特性，我们可以将一幅空间上连续的黑白图像分解成许多小单元，这些小单元面积相等、分布均匀，明暗程度不同。大量的单元组成了电视图像，这些单元称为像素。报纸上的照片就是这样构成的，在近距离仔细观察时，画面由许多小黑点组成；当离开一定距离观看时，看到的是一幅完整的照片。单位面积上的像素数越多，图像越清晰。第2章电视传象基本原理一幅高质量的图像有几十万个像素。要用几十万个传输通道来同时传送图像信号是不可能的。由于人眼的视觉惰性，可以把图像上各像素的亮度信号按从左到右、从上到下的顺序一个一个地传送。电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素，只要在视觉暂留的0.1s时间里完成一幅图像所有像素的电光转换，那么人眼感觉到的将是一幅完整的图像。第2章电视传象基本原理利用人眼的视觉惰性和有限分辨力，活动图像可分解为一连串的静止图像，静止图像又可分解为像素，只要在时间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息进行光电转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可以完成活动图像的传输。这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。125s利用视觉惰性，我们同样可以把连续动作分解为一连串稍有差异的静止图像。电影就是每秒放映24幅稍有差异的静止画面来得到活动图像的，电视则是采用每秒传送25幅稍有差异的电视画面来得到连续动作的效果的。第2章电视传象基本原理2.1.1逐行扫描在电视发送端用摄像器件实现光电转换，在接收端用显像管实现电光转换。涂在玻璃屏上的荧光粉在电子束的轰击下会发光。荧光屏的发光强弱取决于轰击电子的数量与速度，只要用代表图像的电信号去控制电子束的强弱，再按规定的顺序扫描荧光屏，便能完成由电到光的转换，重现电视图像。第2章电视传象基本原理显像管中的电子束扫描是通过水平偏转线圈和垂直偏转线圈来实现的。在水平偏转线圈所产生的垂直磁场作用下，电子束沿着水平方向扫描，叫做行扫描。同时在垂直偏转线圈所产生的水平磁场作用下，电子束沿垂直方向扫描，叫做场扫描。第2章电视传象基本原理假定在水平偏转线圈里通过如图2-1(a)所示的锯齿形电流，t1～t2期间电流线性增长时，电子束在垂直偏转磁场的作用下从左向右作匀速扫描叫做行扫描正程，t2时刻正程结束时，电子束扫到屏幕的最右边。t2～t3期间偏转电流快速线性减小，电子束从右向左迅速扫描，叫做行扫描逆程，t3时刻逆程结束时，电子束又回扫到屏幕的最左边。电子束在水平方向往返一次所需的时间称为行扫描周期TH。行扫描周期TH等于行正程时间THF和行逆程时间THR之和。行扫描周期的倒数就是行扫描频率fH。第2章电视传象基本原理图2-1逐行扫描电流和光栅(a)行扫描电流；(b)帧扫描电流；(c)扫描光栅tiH(a)t1(b)THFTHt6iZt0t6TZFTZRTZ(c)t1t0t2t3t4THRt5t3t2t4t5t第2章电视传象基本原理假定在垂直偏转线圈里通过如图2-1(b)所示的锯齿形电流，电子束在水平偏转磁场的作用下将产生自上而下，再自下而上的扫描，这样便形成帧扫描正程和逆程。帧扫描的周期TZ等于帧正程时间TZF和帧逆程时间TZR之和。帧扫描周期的倒数就是帧扫描频率fZ。帧扫描频率fZ远低于行扫描频率fH。第2章电视传象基本原理如果把行偏转电流iH和帧偏转电流iZ同时分别加到水平和垂直偏转线圈里，那么，在水平偏转磁场和垂直偏转磁场共同作用下，电子束同时沿水平方向和垂直方向扫描，在屏幕上就显示出如图2-1（c）所示的光栅。由于行扫描时间比帧扫描时间短得多，整个屏幕高度有600多条扫描线，因此电视机的扫描线看起来是水平直线。这种扫描方式从图像上端开始，从左到右、从上到下以均匀速度依照顺序一行紧跟一行地扫完全帧画面，称为逐行扫描。第2章电视传象基本原理逆程扫描线会降低图像质量，故在行、帧逆程期间用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程扫描线消失。为了提高效率，正程扫描时间应占整个扫描周期的大部分，电视标准规定了行逆程系数α和帧逆程系数β：18%8%HRZRHZTTTT在逐行扫描中，所有帧的光栅都应相互重合，这就要求帧扫描周期TZ是行扫描周期TH的整数倍，也就是说每帧的扫描行数Z为整数，TZ=ZTH，fH=ZfZ。第2章电视传象基本原理2.1.2隔行扫描为了保证电视图像有足够的清晰度，扫描行数需在600左右；为了保证不产生闪烁感觉，帧扫描频率应在48Hz以上，这样图像信号的频带就会很宽，使设备复杂化。隔行扫描在不增加带宽的前提下，保证有足够的清晰度又避免了闪烁现象。第2章电视传象基本原理隔行扫描就是把一帧图像分成两场来扫：第一场扫描1、3、5、…奇数行，称为奇数场；第二场扫描2、4、6、…偶数行，称为偶数场。每帧图像经过两场扫描，所有像素全部扫完。偶数场扫描线正好嵌在奇数场扫描线的中间，如图2-2（c）所示。我国电视标准规定，每秒传送25帧，每帧图像为625行，每场扫描312.5行，每秒扫描50场。场频为50Hz，不会有闪烁现象，一帧由两场复合而成，每帧画面仍为625行，图像清晰度没有降低，而频带却压缩了一半。第2章电视传象基本原理图2-2（a）是行扫描电流波形，图2-2（b）是场扫描电流波形。为了简化，图中未画出行、场扫描的逆程时间。一帧光栅由9行组成，图2-2（c）中奇数场光栅用实线表示，偶数场光栅用虚线表示。奇数场结束时正好扫完第5行的前半行，偶数场一开始扫第5行的后半行，偶数场第一整行(第6行)起始时垂直方向正好扫过半行，插在第1行和第2行的中间，形成隔行扫描。由此可见，隔行扫描要将偶数场光栅嵌在奇数场光栅中间，每帧的扫描行数必须是奇数。第2章电视传象基本原理图2-2隔行扫描电流和光栅(a)行扫描电流；(b)场扫描电流；(c)扫描光栅tiH(a)(b)t037(c)1132557911iV468101214161811131517131517910212414616818t第2章电视传象基本原理隔行扫描存在下列缺点：(1)行间闪烁效应从电视图像整体来看，隔行扫描后图像场频保持在50Hz，高于临界闪烁频率，观看时不会感觉到闪烁。但当图像中有一行亮线时，每秒只出现25次，低于临界闪烁频率，就会感到闪烁，这叫行间闪烁。第2章电视传象基本原理(2)并行现象并行现象有真实并行和视在并行。在隔行扫描中，要求行、场扫描频率保持一定的关系，否则两场光栅不能均匀相嵌。不均匀的极端是奇、偶两场光栅重合，称为真实并行，这时图像清晰度会降低一半。当图像上有一物体垂直方向运动速度恰好是一场时间下移一行的距离时，该物体后一场图像与前一场相同，当观察者的视线随运动物体移动时，看起来是两行并成了一行，图像清晰度下降，这被称为视在并行。第2章电视传象基本原理(3)垂直边沿锯齿化现象当图像上有物体水平方向运动速度足够大时，因隔行分场传送，相邻两行在时间上相差，结果运动物体图像垂直边缘出现锯齿。锯齿深度就是物体在一场时间内水平方向移动的距离。第2章电视传象基本原理2.2电视图像基本参数2.2.1图像宽高比图像宽高比也称幅型比。根据人眼的视觉特性，视觉最清楚的范围是垂直视角为15°，水平视角为20°的一个矩形视野，因而电视接收机的屏幕通常为矩形，矩形画面的宽高比为4∶3。第2章电视传象基本原理矩形屏幕的大小用对角线长度表示，并习惯用英寸作单位，一般家用电视机的35cm（14英寸）、46cm（18英寸）、51cm（20英寸）、74cm（29英寸）等都是指屏幕对角线长度。观看电视的最佳距离分别为2m、2.5m、3m、4m，眼睛应与荧光屏中心处在同一水平线。为增强临场感与真实感，还可加大幅型比，例如，高清晰度电视或大屏幕高质量电视要求水平视角加大，观看距离约为屏高的三倍，幅型比定为16∶9。第2章电视传象基本原理2.2.2场频选择场扫描频率主要应考虑不能出现光栅闪烁。人眼的临界闪烁频率与屏幕亮度、图像内容、观看条件以及荧光粉的余辉时间等因素有关，为了不引起人眼的闪烁感觉，场频应高于48Hz。随着屏幕亮度的提高，屏幕尺寸的加大，观看距离的变近，场频应相应提高。第2章电视传象基本原理场频的选择还要考虑交流电源对电视图像的影响。电视接收机电源滤波不良或因杂散电源磁场的影响，交流电源干扰混入视频信号中，都会使图像产生一种垂直方向的明暗变化，或呈现为一二条水平暗条。当电源频率与场频相同并与电源同步时，这些干扰在图像上是固定不动的，只要不太大，眼睛是感觉不出来的；当电源频率与场频不同时，干扰图形将是移动的，以两个频率的差频向上或向下滚动，俗称“滚道”。第2章电视传象基本原理交流电源干扰若加在行锯齿波上，会造成光栅扭曲。当场频与电源频率不同时，光栅不但扭曲而且摆动。因此在制定电视标准时都规定场频与本国的电网频率相同。在我国电视标准中，场频选为50Hz。随着新型荧光粉的出现，电视屏幕亮度不断提高，一些高亮度的画面常会引起闪烁感觉，而现代接收机生产工艺水平已能消除电源干扰，所以将来会采用比50Hz更高的场频。第2章电视传象基本原理2.2.3行数在1.2.3节中得到分辨力公式3438()dL式中，L表示眼睛与图像之间的距离，d表示能分辨的两点间最小距离，对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，θ为1～1.5′。第2章电视传象基本原理设Z为每帧扫描行数，h为屏幕高度，则有，代入式（1-2）得。取标准视距L为屏幕高度h的4～6倍，并取θ为1′时，则可算得应该取的扫描行数在860～570行之间。目前世界上采用的标准扫描行数有625行和525行，我国采用625行。在20世纪50年代，电视机以12英寸和14英寸为主,所以行数选择了625行。随着大屏幕电视的发展，625行的标准明显偏低，在高清晰度电视中，为了获得临场感和真实感，扫描行数已增加到1200行以上。hdZ3438hZL第2章电视传象基本原理场频已经确定为fV=50Hz，由于采用隔行扫描，则帧频fZ=25Hz，也就是说，一帧扫描时间TZ=40ms。当扫描行数选定为Z=625后，行扫描时间TH=TZ/Z=40ms/625=64μs，行频fH=fZ×Z=25Hz×625=15625Hz。第2章电视传象基本原理图像信号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，就要采用取样保持电路。每个像素信号被取样后，用一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。第2章电视传象基本原理下图是相关双取样电路（CDS，CorrelatedDoubleSampling），图中SHP是复位电平取样脉冲，它对复位电平进行取样，用来消除直流成分。SHD是信号取样脉冲，它对取样后的复位电平和信号同时取样。由于取样后的两个信号中有相同的干扰波形，因此将有相同干扰波形的两个信号送到差分放大器中相减，就可得到不带干扰的输出信号。在CCD传感器的输出信号中含有多种热杂波，这些杂波在差分放大器输入的两路信号中基本相同，经过差分放大器后，热杂波将被抑制。第2章电视传象基本原理图相关双取样电路CCD传感器输出取样保持＋－取样保持SHD取样保持SHP第2章电视传象基本原理经相关双取样后得到的图像信号反映了实际景物的亮度。因为图像内容是随机的，相应的电压波形也是随机的，所以摄取一幅从白到黑10个灰度等级竖条的图像，每行产生的图像信号电压波形就是10阶梯从低到高的。纯白对应的电平最低，全黑对应的电平最高。这种信号电平与图像亮度成反比的图像信号称为负极性图像信号。反之，信号电平与图像