第7章录像技术的发展

第7章录像技术的发展第7章录像技术的发展7.1录像机原理7.2时滞录像机7.3多画面处理器7.4硬盘录像机第7章录像技术的发展7.1录像机原理磁带录像机是以磁带为介质存储图像信息的设备。它所完成的基本物理变换是电／磁转换，把时间轴上连续变化的电视信号、音频信号转化为磁带上磁迹的几何分布或相反的过程。从质量上分，磁带录像机有广播级、业务级和家用型。在应用电视系统中，家用型和业务级机器是最为常用的图像记录设备。第7章录像技术的发展7.1.1磁记录的视频录放原理1.磁性记录原理铁磁物质的磁滞特性表明磁性材料具有记忆功能，这一功能使得磁记录成为可能。任何一个磁记录必须包括两个基本的部分：一是承载信息的介质，二是向介质传递信息实现电磁转换的器件。录像机的磁记录介质是磁带，电磁转换器件是磁头。通过磁头向磁带记录或重放信息，要形成一定的磁头磁带关系(简称头带关系)，这种关系必须具有很高的精度，是通过机械系统来保证的。图7―1示出了从信息传递角度看的头带关系示意图。第7章录像技术的发展图7―1磁记录的磁头磁带关系示意图磁性层带基剩磁磁带工作缝隙NS磁带运动方向磁头~第7章录像技术的发展磁头是一个绕有一组线圈的环形铁芯，铁芯上有一狭窄的缝隙——工作缝隙。当被记录信号电流流过线圈时，铁芯中就会产生与电流大小成正比、方向一定的磁通，由于工作缝隙处的磁阻较大，在其附近就会出现漏磁场。当磁带的磁性层(以下称磁带)与工作缝隙接触时，由于磁带的磁阻较低，铁芯中的磁通就会通过磁带形成闭合磁路，因此磁带被磁化。如果磁带以一定的速度相对磁头运动，就会形成一条磁迹。在这个过程中被记录信号电流随时间的变化就转化为磁带上磁迹的磁化强度的变化。第7章录像技术的发展我们介绍这个过程主要是为了引入一个重要的概念——记录波长。它表示对应被记录信号一个周期，磁带上磁化强度变化一个周期的长度。显然，它与磁带的速度v(假定磁头固定)成正比，与被记录信号的频率f成反比：f(7―1)第7章录像技术的发展该式表明，v一定时，λ将随f的提高而缩短，这不仅受磁粉最小尺寸而且还受磁头缝隙宽度g的最小值的限制。这是因为g较宽时，磁带尚未掠过缝隙前，磁场方向就已经改变。因此，在减小磁粉粒径和磁头缝隙受到限制的情况下，提高头带相对速度v是提高录放信号频率的有效措施。第7章录像技术的发展2.磁性记录重放原理信号的重放过程是上述过程的逆过程。当磁头的工作缝隙与磁带相接触时，将形成与记录时相同的头带关系。磁头将桥接磁带的磁迹，磁迹的表面磁场将在磁头线圈中产生相应的感生电动势，采用适当方法取出并处理这个电动势，就可以恢复出原信号。所谓形成与记录时相同的头带关系，一是指几何位置关系，二是指磁带以记录时相同的速度运动。根据电磁感应定律，铁芯线圈中感生电动势为dNdt(7―2)第7章录像技术的发展式中，N为线圈匝数，Φ为通过铁芯的磁通量。由此可以得出图7―2所示的重放特性曲线。彩色电视视频信号上限频率为6.5MHz，下限频率为25Hz左右。绝对带宽约为6.5MHz，相对带宽(上、下限频率之比)为26万。相对带宽通常用倍频程数来描述。对于视频信号，从25Hz到50Hz为一个倍频程，50Hz到100Hz为第二个倍频程，100Hz到200Hz为第三个倍频程……直到上限频率6.5MHz，总共约有18个倍频程。第7章录像技术的发展图7―2磁记录重放特性B18dB/倍频程oAfpKf6dB/倍频程f0第7章录像技术的发展3.旋转磁头扫描从重放特性可以看出：要想提高重放的最高频率fmax，以适应视频信号的宽带特性，有两个途径，一是提高磁带速度，一是减小磁头的工作缝隙。磁头工作缝隙的窄化一直在进行着，但它是有限度的；而提高磁带速度又会带来磁带使用量过大的问题。为解决这个问题，人们研制了旋转磁头扫描方式。就是使磁头高速地旋转，而磁带仍以很低的速度行走，由于磁头高速地扫过磁带表面，使磁头与磁带之间的相对速度很高，这就可以实现很高的fmax。目前应用最多的旋转扫描方式是螺旋扫描方式。盒式磁带录像机大多采用的二磁头螺线扫描方式的简图示于图7―3。第7章录像技术的发展图7―3二磁头螺旋扫描导柱磁带磁头鼓磁带方向导柱第7章录像技术的发展在这种方式中，两个视频磁头彼此相隔180°角，安装在一个旋转磁头鼓上，磁带通过进带导柱和出带导柱的调节，卷绕在磁头鼓的半圆周上，形成一定的高度差。由于磁头鼓旋转，两个磁头交替地接触磁带，扫描出一条条倾斜于磁带边缘一定角度的磁迹。视频信号每秒由25帧画面组成，每帧又分为2场，因此，若磁头鼓的转数为25转／秒，它旋转一周的时间恰好是一帧信号的时间，每个磁头扫描磁带的时间则为一场信号的时间。控制旋转磁头相位，就可以使每个磁头将一整场信号记录在一根磁迹上。图7―4说明了这个关系，为了使磁迹连接不出现信号丢失，磁带对磁头鼓的包角要稍大于180°。第7章录像技术的发展图7―4二磁头螺旋扫描与视频信号的关系磁带A磁头导柱导柱A磁迹1帧1场B磁迹B磁迹B磁头第7章录像技术的发展4.频率调制由于磁记录系统动态范围的限制(70dB左右)，排除了直接记录视频信号的可能。必须进行调制，以压缩相对带宽。录像机采用调频方式处理视频信号，主要是因为它具有以下优点：(1)可以避免重放非线性所需的均衡。(2)可以减小各种幅度干扰对记录的影响。(3)可以采用饱和记录方式，获得较高的信噪比。第7章录像技术的发展录像机所采用的频率调制方式不同于—般的调频方式，它是针对磁记录的特点而设计的低载频、浅调制方式。低载频即采用稍高于视频信号最高频率的载波频率。一般情况下，调频信号的载频都远大于调制信号的上限频率。比如，电视伴音信号，载频为6.5MHz，伴音信号的上限频率只有15kHz，载频是调制信号的几百倍。而在录像机中，由于受到头带系统上限频率的限制，视频调频信号的载频只能稍大于视频信号的上限频率。根据调频载波的高低，录像机分高带方式和低带方式。第7章录像技术的发展广播级录像机多为高带方式(同步顶和白电平载波频率分别为7MHz和10MHz左右)。盒式磁带录像机多为低带方式，比如，低带U型录像机，载频的变化范围为4.28～5.4MHz，而视频调制信号的上限频率在3MHz以上，两者相差很少。浅调制是指采用较低的调制系数。在调频系统中，增大调制度mf可以提高调制信号的信杂比。因此调频信号的调制度一般都大于1。比如，电视伴音信号，规定的最大频偏为50kHz，对于伴音信号的上限频率(此时调制度最小)来说，第7章录像技术的发展调制度mf为mf=最大频偏／伴音上限频率=50/15＞3。在录像机中，由于受头带系统上限频率的限制，加上还要调制带宽比声音信号宽得多的视频信号，不得不降低调频信号(对于调制信号最高频率来说)的调制度。下面，以低带U型机为例，计算一下视频调频信号的调制度。产生最大频偏的调制信号应是黑电平与白电平之差的峰值信号，如图7―5所示。对于这一信号，调频波的载频是(5.4+4.28)/2=4.84MHz，最大频偏Δf是0.56MHz。由于调制信号的上限频率f上限为3MHz，故上限频率的调制度mf=Δf／f上限≈0.2，比1小得多。第7章录像技术的发展图7―5录像机低载频浅调制的信号频谱(a)低带U型；(b)VHS型3.80f/MHz1.24.285.48.43MHz3.801.14.87.83MHz3MHz5记录带宽上边带抑制(a)4.1f/MHz(b)3MHz第7章录像技术的发展低带U型录像机调制信号(亮度信号)的上限频率约为3MHz，上限频率的调制度在0.2以下，因此，对于上限频率来说，调频波只需考虑一对边频。而调频波的载频(随调制信号的直流分量的变化)可以从4.28MHz变到5.4MHz，当载频为4.28MHz时，3MHz调制信号的第一对边频为(4.28±3)MHz，而当载频为5.4MHz时，3MHz调制信号的第一对边频为(5.4±3)MHz，因此调频波的频谱范围为1.28～8.4MHz。第7章录像技术的发展5.彩色降频法视频信号色度分量的频率范围为4.43MHz±500kHz，低带方式录像机不能处理这样高频率的信号。因此，它只对视频信号的亮度分量进行调频处理，这就是Y―FM方式，而对色度分量则采用降低载波直接记录方式，这就是所谓彩色降频法。色度信号不能与亮度信号同时处理还有一个重要的原因，即低带录像机的时基抖动比较大。这个时基抖动对亮度信号的影响不易觉察；对色度信号则不然，对色度进行降频处理可以减小时基抖动对它的影响。彩色降频法的具体过程如图7―6所示。第7章录像技术的发展图7―6彩色降频法示意图低通相加器全电视信号亮度信号色度信号低载频色度信号Y-FM信号记录信号带通调频器变频器ooooo振荡器o第7章录像技术的发展输入的彩色全电视信号经低通滤波器分离出亮度信号(带宽约限制在3MHz左右)，然后送到调频器，变换成调频信号。在录像机中，通常称这个调频信号为亮度―调频(Y―FM)信号。由于亮度信号是单独去调频的，而且上限频率被限制了，因而可选用较低的载频，降低了对录像机录放容限的要求。色度信号是由中心频率为4.43MHz的带通滤波器从全电视信号中取出的，同时带宽也因带通滤波器降为±0.5MHz左右。第7章录像技术的发展分离出的色度信号送入变频器，变频器的另一个输入来自振荡器，它是一个频率比4.43MHz低得多的低载频的正弦信号。变频器取差额，得到一个载频为f低其上正交平衡调制有R-Y和B-Y的色度副载波信号,这个信号称为低载频色度信号。最后Y―FM信号和低载频色度信号相加后送给视频磁头，记录在磁带上。通常f低在1MHz以下，所以低载频色度信号的频谱并不与Y―FM信号重叠。第7章录像技术的发展6.磁带格式由于采用旋转扫描方式，视频信号的记录磁迹不再是一条连续的磁迹而是许多条，它们与边沿成一定角度倾斜地一条条排列。为了在重放时能准确地找到这些磁迹，磁带上必须有标记视频磁迹位置的控制磁迹，显然还应有音频磁迹，所有这些磁迹按规定的位置分布，按一定规则排列，形成了一定的磁带格式。第7章录像技术的发展每一种型式的录像机都要有规定的磁带格式。这是由机器本身的结构所决定的，是录像机技术标准的主要内容。图7―7给出U型录像机的磁带格式。视频磁迹的长度等于磁鼓半圆周长，因磁鼓的转速是一定的，视频磁迹的长度反映录像机的记录速度，所以一般说来磁鼓直径大的录像机可以得到好的图像质量。第7章录像技术的发展图7―7U型录像机的磁带格式控制磁迹磁带方向磁头方向视频磁迹伴音磁迹1伴音磁迹2第7章录像技术的发展7.方位角记录方式方位角损耗是指由于重放时磁头的工作缝隙方向与记录不同所产生的损耗。从图7―8可以看出由于方位角偏差，重放磁头工作缝隙的上部和下部可能会与不同极性的磁化区接触，互相抵消，产生损耗。方位角损耗是个不利因素，但利用它可以实现高密度的记录方式。第7章录像技术的发展图7―8方位角损耗示意图磁头缝隙面磁带面磁头缝隙宽度第7章录像技术的发展为防止磁头扫描偏差时出现串扰信号，在视频磁迹之间设立保护带，如图7―9（a）所示。保护带的作用是隔离，但也浪费了磁带，降低了记录密度。方位角记录方式则取消保护带，利用方位角损耗的原理实现高密度记录，它使两个视频磁头的方位角(工作缝隙方向)不是垂直于磁头的扫描方向，而是分别向左右两边偏差一个角度α，这样两者之间就有2α的方位角差。由于这个方位角差，每个磁头就只能重放自己记录的磁迹，当扫描出现偏差，相邻磁迹由于方位角损耗使串扰衰减35.5dB，因此基本上消除了相邻磁迹之间的串扰问题。图7―9示出了其工作原理。第7章录像技术的发展图7―9保护带的取消(a)有保护带记录；(b)无保护带记录；(c)方位角记录磁迹磁头保护带(a)(b)(c)第7章录像技术的发展VHS型和Beta型录像机都采用方位角记录方式，它们的视频磁迹是一条紧贴一条地排列。图7―10为VHS型录像机的磁带格式，由于没有保护带，磁迹的宽度由磁带速度决定。第7章录像技术的发展图7―10VHS型录像机的磁带格式控制磁迹磁带方向磁头方向视频磁迹伴音磁迹1伴音