第2章电视传像原理

第二章电视传像原理2.1人眼的视觉特性由于电视系统最终所重现的图像是供观众收看的，所以电视系统的有关参数都需根据人眼的视觉特性来选择，以使重现的图像质量能满足人眼的要求。设计黑白电视系统要涉及的人眼视觉特性有视敏特性、亮度感觉特性、视觉惰性、闪烁感觉和视觉分辨力特性等。2.1.1视敏特性人眼所能感觉的可见光是波长范围为380nm至780nm的电磁波。对于不同波长的光，人眼有不同的颜色感觉（从长波长到短波长，大体可分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七类颜色）视敏函数：描述人眼视敏特性的物理量为视敏函数和相对视敏函数。在相同亮度感觉的条件下，不同波长光辐射功率pr(λ)的倒数用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。称：K(λ)=1/pr(λ)相对视敏函数实验表明，明亮环境中人眼对波长为555nm的光最敏感，因此把任意波长的光的视敏函数值K(λ)与最大视敏函数相比的比值K(555)称为相对视敏函数，记为：明亮环境中（称为明视觉）的相对视敏函数曲线如下图所示。2.1人眼的视觉特性2.1.2闪烁感和分辨力(1)人眼的闪烁感觉光源不引起闪烁感觉的最低重复频率称之为临界闪烁频率。脉冲光源亮度和背景亮度差值越大，临界闪烁频率越高；明亮时间的占空比越大，临界闪烁频率越低。实践证明，对于电视系统，如果屏幕亮度约为100nit，环境亮度为0，欲使电视图像不闪烁，其换幅频率应高于45.8HZ，大于融合频率。(2)人眼的视觉惰性视觉建立过程所需的时间非常短，几乎是立刻建立的，而当光脉冲突然熄灭时，亮度感觉的消失却有一个渐衰的残留过程，这种现象称为视觉暂留或视觉残留。通常视觉暂留时间约0.05～0.2秒。(3)人眼的分辨力人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。因为实际的分辨角很小，因此(弧度)＝3438(分)，大致和可分辨的紧邻两点间距d成正比,和观看距离L成反比。人眼分辨图像细节的能力称为人眼的分辨力，分辨角的倒数为分辨力。、2.1人眼的视觉特性2.1.3人眼的亮色感觉特性(1)人眼的亮度感觉特性人眼的亮度感觉是一个主观量，它并不仅取决于景物给出的亮度值，而且还与人眼对周围环境的平均亮度的适应特性有关。人眼所能感觉的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin的比值Bmax/Bmin基本相同。对比度:景物或重现图像最大亮度Bmax和最小亮度Bmin的比值，用C表示。画面最大亮度与最小亮度之间可分辨的亮度级差数称为亮度层次或灰度层次(2)人眼的彩色感觉特性表征景物的彩色，需要三个独立的物理量：亮度、色调和色饱和度，称为彩色三要素。亮度:与进入人眼色光的能量、波长有关。色调:就是指的色调，不同波长感觉出不同色调，故色调用波长表示。色饱和度:是指彩色的浓淡程度，即渗白程度，以％表示。1）同色异谱色实验表明，人眼相同的彩色感觉可以来源于不同的光谱组合。颜色感觉相同，光谱组成不同的光称为同色异谱色.2）空间混色和时间混色特性2.2三基色原理和计色系统2.2.1三基色原理(1)三基色彩色电视在彩色电视技术中是选用红、绿、蓝三种基色混配出各种颜色的。(2)基准光源光源的辐射功率按波长的分布称为光谱功率分布。不同光源有不同的光谱功率分布，国际照明委员会（CIE）规定了一些光源,有：基准光源A（A白）、基准光源B（B白）、基准光源C（C白）、基准光源D65（D65白）、基准白色光源（E白）。E白是等能白光源，自然界中不存在，是用于彩色电视计算的一种假想光源。2.2三基色原理和计色系统2.2.2计色系统(1)物理计色系统为了准确的对各种颜色进行计算，国际照明委员会（CIE）采用一套可以由物理手段产生的谱色光作为三基色，其中，红基色光的波长为700nm，绿基色光的波长为546.1nm，蓝基色光的波长为435.8nm。由于这三种基色光可以由物理手段产生，因此通常称它们为物理三基色。如下图所示。任意彩色量F的光通量可以用∣F∣表示：∣F∣＝(R)•1＋(G)4.5907•＋(B)•0.061（光瓦）则有，三基色混配的数学表示式为：∣F∣＝R(R)＋G(G)＋B(B)式中，R、G、Ｂ是红绿蓝基色量（R）、（G）、（B）的混配系数，称为三色系数。色光的色度也只取决于三色系数R、G、B的比值。三色系数的相对值称为相对色系数。色模:m＝R＋G＋B相对色系数:r＝R/m，g＝G/m，b＝B/m将各种颜色的色度在r-g直角坐标系中找出对应的位置，称为RGB色度图或r-g色度图。(2)标准（XYZ）计色系统光源的辐射功率按波长的分布称为光谱功率分布。不同光源有不同的光谱功率分布，国际照明委员会（CIE）规定了一些光源,有：基准光源A（A白）、基准光源B（B白）、基准光源C（C白）、基准光源D65（D65白）、基准白色光源（E白）。E白是等能白光源，自然界中不存在，是用于彩色电视计算的一种假想光源。为了计算方便，国际照明委员会CIE还规定了另一种较为常用的计色系统，就是XYZ计色系统，也称标准计色系统。在XYZ计色系统中，三基色是假想的，并不存在实际的颜色，然而用它进行配色运算时，任意色光的三色系数X、Y、Z均为正值。标准计色系统在选择三个基色单位时，满足下列条件：①当用它们对任意色光进行混配运算时，三个色系数X、Y、Z均为正值；②任意色光的亮度仅由Y（Y）中的Y决定，并规定1（Y）的光通量为1光瓦，另两个基色分量不包含合成光的亮度，但合成光的色度仍然由X、Y、Z的比值确定；③当X=Y=Z时，代表等能白光，即E白。色光的色度也只取决于三色系数XYZ的比值，2.2三基色原理和计色系统2.2.3显像三基色计色系统从五十年代初彩色电视创始至今已规定过多套三基色荧光粉。1953年美国确立NTSC制彩色电视制式时选定了第一套荧光粉Re1、Ge1、Be1的配方，用C白作基准白。1970年欧洲广播联盟（EBU）研制了第二套三基色荧光粉Re2、Ge2、Be2，采用D65白作基准白；1973年美国对原先的NTSC制荧光粉做了改进，并选定D65白作基准白，其发光效率比早期的高两倍。NTSC显像三基色的重现色域EBU显像三基色的重现色域以第一套NTSC制三基色荧光粉为例，设三基色单位量为（Re）、（Ge）、（Be），1光瓦的C白的配色方程可表示为：1（Re）＋1（Ge）＋1（Be）＝FC白（1光瓦）经过XYZ系统的混配运算，可得出1（Re）=0.607（X）+0.299（Y）+0.000（Z）1（Ge）=0.174（X）+0.587（Y）+0.066（Z）1（Be）=0.200（X）+0.114（Y）+1.116（Z）如果某一彩色光F为F=Re（Re）+Ge（Ge）+Be（Be）其光通量|F|=0.299Re+0.578Ge+0.114Be(亮度公式)混色曲线对于显像三基色，以混配出辐射功率为1瓦波长为的谱色光所需的三色系数为分布色系数，所画出的三条曲线称为显像荧光粉的混色曲线。2.3电视传像原理2.3.1电视传像的基本原理电视传像的方法是将光图像分解为许多像素；接着将每个像素进行光电转换，得到能代表每个像素亮度、色度信息的电平值；按一定规律将每个像素的电平值信号传送出去。在电视技术中，电视图像的实际扫描顺序是按从左到右、从上到下一行一行进行，扫描完第一幅（也称帧）后再重复扫描第二幅，如此循环。在进行扫描时，必须做到发、收两端的扫描规律严格一致，这在电视技术中称之为同步。2.3电视传像原理2.3.2逐行扫描和隔行扫描1）逐行扫描逐行扫描是指在图像上从上到下一行紧跟着一行的扫描方式。在电视技术中，不考虑图像内容，只由电子束扫描形成的扫描线结构称为扫描光栅。2）隔行扫描隔行扫描方式是将一幅（一帧）电视画面分两场扫描,第一场扫描1，3，5，7……等奇数行，构成奇数行光栅，称为奇数场；第二场扫描2，4，6，8……偶数行，称为偶数场。两场光栅重现图像时精确镶嵌，构成一幅完整画面。可见，每秒扫50场，实际上只传送了25帧图像,故可使图像带宽减小一半,但就整体画面的重现即从上到下扫一遍的频率为50Hz，所以在一定距离上观看整体画面没有闪烁感。3）扫描参数扫描光栅的水平宽度与垂直高度之比称为光栅的帧型比（也称宽高比）.水平扫描（行扫描）的参数包括:行周期TH、行正程时间THt、行逆程时间THr、行频fH=1/TH，行逆程系数α：α＝THr/TH在逐行扫描中:垂直扫描参数包括:帧周期TF=TFt+TFr、帧正程时间TFt、帧逆程时间TFr、帧频fF=1/TF,逆程系数β＝TFr/TF。为使各幀图像扫描光栅精确重合，必须使一幀的总（也称标称）扫描行数Z为整数，即：，标称扫描行数Z:显然，扫描行数越多，系统的分解力越高。在隔行扫描中:，fV为场频我国模拟标清电视系统规定：TV=20ms，TVr=1.612ms，β=0.08；TH=64μs，THr=12μs，α=0.1875。2.4图像的采集和重现电视摄像器件和电视显像器件是电视系统中发端和收端的两大关键器件，一个用来进行光电变换，一个用来进行电光变换，完成电视摄像和显像的作用。2.4.1图像的采集目前专业电视摄像机都采用CCD摄像器件.CCD是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）的缩写。它是以电荷的多少代表图像信号的亮暗、以时钟信号控制代替电子束扫描实现图像信号的摄取、变换和输出的固态电子器件。(1)CCD器件的结构信号电荷的注入势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发，产生电子空穴对，空穴被排斥后，电子则作为反映光强的载体--电荷包被收集、注入到势阱中，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱中电荷包内电荷数量的多少与对应像素的亮度和积累的时间成正比。信号电荷的转移势阱内电荷包转移是通过相邻MOS单元结构上VG的变化来实现的。相邻的VG上所加的有规律的脉冲电压，称之为时钟驱动。利用势阱内电荷包有向势阱更深处移动的属性，有规律的改变驱动电压的高低，可使电荷包按要求转移。通常有三相时钟驱动、二相时钟驱动和四相时钟驱动等几种方式，都是依靠相应的时钟脉冲序列控制电压高低来实现。信号电荷的输出每个像素下面势阱内的电荷包转移后，需顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压，再由外电路放大和处理。(2)CCD摄像器件实用的CCD摄像器件有以下三种类型：行间转移式(IT)CCD；帧间转移式(FT)CCD；帧行间转移式(FIT)CCD行间转移式(IT)CCD：帧间转移式(FI)CCD：帧行间转移式(FIT)CCD：