黑白全电视信号及PAL制式

一、电子扫描1.1.1像素的概念电视就是根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物（或图象）的技术。在发送端，用电视摄象机把景物（或图象）转变成相应的电信号，电信号通过一定的途径传输到接收端，再由显示设备显示出原景物（或图象）。其过程如下图所示。1.1.1像素的概念1.像素(1).像素的含义:平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总可以看成是由许许多多的小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素（如下图）。像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。(2).像素的数学表达式：一幅黑白平面图像，表征它的特征参量是亮度。这就是说，组成黑白画面的每个像素，不但有各自确定的几何位置，而且它们各自还呈现着不同的亮度；又由于电视系统传送的是活动图像，因而每个像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。用数学函数可表示2.图象帧电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成，帧是构成活动图象最小单元。3.同时传输制(动画演示)每个象素占用一条传输通道，把所有象素的亮度信息同时转换成相应的电信号，并同时传输出去。一阵画面分解成几十万个象素就需要几十万条通道。在电路上同时提供几十万条通道是不现实的，因此，同时传输制未被采用。4.顺序传输制(动画演示)(1).顺序传输制的含义：顺序传输制是将景物分解成极多象素后，把所有象素的亮度信息按时间顺序一一传输出相应的电信号，其所用的传输通路只需一条。如下图所示。图中只有一条传输通路，它轮流的接通每一对相应的光电单元和发光单元。只要轮流的速度足够快，由于人眼的视觉暂留特性，看起来好像是所有的象素同时发光，显示出完整的画面。(2).顺序传输的特点：A.要求传送速度快。只有传送迅速，传送时间小于视觉暂留时间（约50~200ms），重现图像才会给人以连续无跳动的感觉；B.传送要准确。每个像素一定要在轮到它传送时才被转换、传送，并被接收方接收。且收、发双方每个像素被转换、还原的的几何位置要一一对应。即收发双方应同步工作，同步在电视系统中是十分重要的。5.扫描(1).扫描的含义：将组成一帧图象的像素，按顺序转换成电信号的过程称为扫描。扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似，扫完第一幅后扫第二幅，如此循环。从左至右的扫描称为行扫描；自上而下的扫描称为帧(或场)扫描。电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。(2).扫描的实质:扫描的实质是将原来随空间和时间变化的函数变成只随时间变化的函数，即，所以传输通道的输出，即单一时间函数的亮度信息变量。(3).扫描的同步:进行扫描时，要求收发两端的扫描规律必须严格一致，称为同步。同步包含两个方面：一是两端的扫描速度相同，称作同频;二是两端画面之每行、每幅的扫描起始时刻相同，叫做同相。即同频又同相才能实现同步扫描，保证重现图象既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。1.1.2光电与电光变换1.电视图像的传送，在发端是基于光电转换器件，在收端是基于电光转换器件。实现这两种转换的器件分别是摄像管和显像管。2.摄像管与光电转换(1).摄像管的组成：主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。如下图所示。内容扩展光电靶由光敏半导体材料构成，具有受光作用之后电阻率变小的性能，靶面上的光图像使靶面各单元受光照的强度不同，因而其各单元的电阻率不同，与较亮像素对应的靶单元阻值较小，与较暗像素对应的靶单元阻值较大。这样一幅因像上各像素的不同亮度就较暗像素对应的靶单元阻值较大。这样一幅因像上各像素的不同亮度就表现为靶面上元的不同电阻值。(2).光电转换过程：(动画演示)A.摄像管阴极发射出来的电子束，在电子枪的电场及偏转线圈的磁场力作用下，高速、顺序地扫过靶面各单元。B.当电子束接触到靶面某单元时，就使阴极、信号板(靶)、负载、电源构成一个回路。如下图所示。在负载RL中就有电流流过，其电流大小取决于光电靶在该单元的电阻值大小。光照强处，对应阻值较小、流过负载的电流就较大，因而RL两端产生的压降也就较大，输出信号的电位也就越低。当电子束扫描时，在负载RL上就依次得到与图像上各像素亮度对应的电信号，由此完成把一幅图像分解为像素，又把对应像素的亮度转变为大小变化的电信号的光电转换过程。3.显像管与电光转换(1).显像管的组成：：显像管是在接收端重现图像的电真空器件，主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。如下图所示。(2).工作原理：(动画演示)A.由阴极发射出的电子束，在偏转线圈所产生的磁场作用下，按从左到右、从上到下的顺序依次轰击荧光屏；B.屏幕内表面上涂的荧光粉在电子轰击下发光，其发光亮度正比于电子束所携带的能量；C.若将摄像端送来的信号加到显像管电子枪的阴极与栅极之间，就以控制电子束携带的能量，使荧光屏的发光强度受图像信号的控制。D.若显象管的电——光转换是线形的，那么，屏幕上重现的图像时，其各像素的亮度基本正比于所摄图像相应各像素的亮度，屏幕上就会重现发端的原图像。4.对于摄像管来说，光电转换特性可近似认为是线形的，而显象管的电光转换特性是非线形的。内容扩展将一幅图像上各像素相应的电信号，以及将这些顺序传送的电信号再重新恢复为一幅重现图像的过程（即图像的分解与重现），都是通过电子扫描来实现的。摄像管与显像管中，电子束按一定规律在靶面上或荧光屏面上运动，即可完成摄像与显像的扫描过程。1.1.3电子扫描1.电子束偏转的基本原理(动画演示)(1).电子扫描是通过电子束在偏转磁场的作用下发生偏转而实现的。(2).当装在摄像管或显像管的外面的偏转线圈中通过电流时，会产生偏转磁场，磁场的方向取决于流过线圈的电流方向。(3).电子束垂直穿过磁场时，在磁场力的作用下要发生偏转，其偏转方向遵从左手定则。(4).若偏转线圈中电流方向改变，则电子束的偏转方向也发生改变；偏转线圈中的电流为零、则电子束不偏转，射向荧光屏的中央。(5).流过偏转线圈中电流的幅度和方向，决定着偏转线圈中磁场的强弱和方向，最终决定了电子束偏转角度的大小和方向。2.逐行扫描(动画演示)(1).偏转线圈有产生水平偏转磁场的行偏转线圈和产生垂直偏转磁场的场偏转线圈，结构如下图所示。(2).当偏转线圈中分别流过行、场锯齿波扫描电流时，就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场，在这两个磁场的共同作用下，使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。(3).在锯齿波电流作用下，电子束产生自左向右、自上而下，一行紧按行的运动，因而称其为逐行扫描，其电流波形如下图所示。A.电子束从荧光屏（或靶面）的最左边移到最右边，称其完成一行的正程扫描，在此期间传送图象信号；B.电子束从荧光屏（或靶面）的最右边返回到最左边，称其完成一行的一个逆程扫描，逆程回扫时间很短，不传送图象信号。(4).若只在行偏转线圈中有扫描电流流过，则仅会在屏幕中央扫出一条水平亮线，如下图所示;同理，若只在场偏转线圈中有扫描电流流过，则仅会在屏幕中央出现一条垂直亮线，如下图所示。(5).场扫描锯齿波电流的周期要比行扫描波形周期长得多，电子束在它们共同作用下进行有规律的扫描，屏幕上便出现一条条的亮线，这些亮线常称其为光栅。3.隔行扫描(动画演示)(1).隔行扫描的含义：所谓隔行扫描，就是在每帧扫描行数不变的情况下，将每帧图像分为两场来传送，这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1、3、l5、…奇数行；偶数场传送2、4、6、…偶数行。世界各国都采用隔行扫描的扫描方式。(2).隔行扫描的要求：A.隔行扫描方式要求每帧扫描总行数为奇数。因为只有这样，在扫描锯齿波电流波形顶点位置对齐的情况下方可使相邻两场均匀嵌套。B.在隔行扫描中，整个画面的变化是按场频重复的，它高于临界闪烁频率因而减少了闪烁感。但就每行而言，它仍是按帧频重复的，即每40ms重复一次，每秒重复25次，这是低于临界闪烁频率的。所以，当我们接近电视机观看时，仍会感觉到行间闪烁；但当离开一定距离观看时，行间闪烁就不怎么明显了。4．隔行扫描的意义：(1).我国电视制式规定，场扫描频率fV为50Hz，每帧图像的扫描行数为625行。内容扩展在电视系统中、要使传送的图像清晰，并具有活动、连续而又无闪烁感，则要求传送频率大于临界闪烁频率47Hz（人眼的临界闪烁频率与图像的亮度、对比度等因素有关）。即每秒传送47场以上的图像；(闪烁频率动画演示)(2).隔行扫描解决带宽与闪烁感及清晰度的矛盾。内容扩展若采用逐行扫描的话，帧频与场频相等。理论分析可以得出，电视图像信号的最高频率约为11～12MMz，可见视频信号带宽将相当宽。要传送频谱这样宽的信号，不但会使设备复杂化，而且使在规定的可供电视系统使用的频段内可容纳的电视频道数目减少。如若为了减少带宽而降低场频，将会导致重现图像的闪烁；减少每场扫描行数，又会降低图像的清晰度。可见逐行扫描是无法解决带宽与闪烁感及清晰度的矛盾。因而提出了既可克服闪烁感，又不增加图像信号带宽的隔行扫描方式。(3).在我国隔行扫描每秒传送50场，即场频fV为50Hz，因而将有效地降低闪烁感，帧频却为25Hz，隔行扫描即减小了闪烁感，并使图像信号的带宽仅为逐行扫描的一半，大约为5.5MHz左右，所以我国规定视频信号带宽按照6MHz分析计算。5.扫描电流的非线性对显示图像的影响:(1).由于电子束是在扫描正程期间传送图像信号的，因此在正程期间要求扫描速度均匀，这就要求流过偏转线圈的电流线性良好，否则重现图像将产生非线性失真。内容扩展若原图像为方格信号，当行、场扫描电流波形均为线性变化的锯齿波时，重现图形无失真，仍为方格图形。当行、场扫描电流只要有其中之一失真，显示的图形将出现非线性失真。A.线形扫描，图像无失真;B.行扫描非线形，产生左伸、右缩的非线形失真;C.场扫描非线形，产生上拉、下压的非线形失真;(2).流过偏转线圈的锯齿波电流应有足够的幅度；否则，行、场扫描电流幅度不足时同样会产生失真。内容扩展A.行、场扫描电流有足够的幅度；B.行扫描幅度小产生的失真;C.场扫描幅度小产生的失真;二、黑白全电视信号黑白全电视信号由图像信号和确保扫描同步的复合同步信号以及消除扫描逆程回扫线的复合消隐信号等辅助信号而构成的。1.2.1主体信号--图像信号1.图像信号及其特征。(1).图像信号的含义；图像信号是由摄像管将明暗不同的景像经过电子扫描和光电转换而得的电信号。(2).正极性图像信号与负极性图像信号：A.阶梯波：假设被摄图像从左到右亮度递减的五条由白→灰→黑而变化的图像，经转换所得的相应电压波形为阶梯波(如下图所示)。B.正极性图像信号：若图像最亮时，对应的电压信号幅度最大，此信号称正极性图像信号(如图（a）所示)。C.负极性图像信号：若图像最暗时对应的电压信号幅度最大，称此为负极性图像信号(如图（b）所示)。图中波形取相对幅度，且所示波形为一个行正程的对应波形。D.一般来说，图像信号是随机的，图(c)给出了一行的随机的图像信号的波形。(3).图像信号具有如下特征：A.图像信号具有直流成分，其数值确定了图像的背景亮度，是单极性信号。B.对于一般活动图像，相邻两行或相邻两帧信号间具有较强的相关性，信号差别极小，可近似认为是周期信号。2.图像信号的基本参量（亮度、对比度和灰度）。(1).亮度：亮度通常是指单位面积的光通量。因为单位面积光通量愈大，人眼感觉愈明亮，所以也可以说，亮度是人眼对光的明暗程度的感觉。亮度常以B表示，光通量的单位是烛光(cd)，亮度的单位是。电视图像的亮度取决于电视图像信号的平均直流成分，改变电视图像信号的直流成分，可以改变其亮度。(2).对比度：电视图像的亮度一般都低于原景物亮度，考虑到人眼的适应性，只要保持重现图像的对比度与原景物的对比度接近相等即可。图像信号的黑、白电平差别愈大，则对比度愈高。(3).灰度：灰度即亮度级差或称亮度层次。它反映电视系统所能重现的原图像明、暗层次的程度。通常电视台发送一个具有10级灰度的阶梯信号(或称级差信号)，接收系统经调整后在重现图像中能