《视频技术基础》第三章

3.1概述彩色电视在发展的过程中，一直追求彩色电视和黑白电视的兼容，所谓兼容，就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视接收机既能接收黑白电视信号，也能重现黑白电视信号。第三章彩色视频信号的处理与制式要实现兼容，其中最基本的一个条件，就是能够在相同的视频频带宽度（6MHZ）的情况下进行彩色电视信号的传输。我们虽然选择了一个亮度信号（Y）和两个色差信号（R－Y、B－Y），但它们不能直接在一条与黑白电视相同的带宽的信道中传输这三个信号，还必须先进行处理。采用不同的处理方法就构成不同的彩色电视制式，现在世界流行的三种彩色电视制式：NTSC（N制）PAL（P制）SECAM3.2黑白CCD电视摄像机镜头CCD传感器预放器放大及信号处理脉冲推动自动光圈控制定时脉冲同步信号发生器主振荡器电源混合同步视频信号输出CCD摄像机原理框图黑白3.2.1图像信号的钳位图像与视频信号一行黑白全电视信号0.7V0.3V峰值白电平黑电平（0～50mV）消隐电平（0电平）行同步信号视频信号的频带为：0～6MHZ，视频信号中高频成分表示图像的边缘；0表示图像内容变化缓慢的部分，接近直流，低频成分表示图像中的背景。作为视频放大电路，为了防止直流成分的丢失需要采用直流放大器，采用多级直流放大容易引起电平飘移，在实际应用中仍采用RC交流耦合放大器，由于电容的隔直流作用，信号中的直流会丢失。直流分量丢失后图像的平均亮度会发生改变。信号平均分量对图像的影响黑电平白电平通过钳位电路消除低频干扰钳位前钳位后要恢复信号中的直流成分采用钳位电路三极管钳位电路原理图1VT视频信号输入钳位脉冲视频信号输出2VT3VT0EC3.2.3自动光圈控制摄像机的镜头采用自动光圈控制镜头。在摄像机的动态范围不够的情况下，为了适应场景照度比较大的变化范围只能改变摄像机镜头的光圈，才能获得满意的图像。在某些应用场合采用手动方式不停地改变光圈显然是不可取的。自动光圈镜头：在摄像机镜头上装有可以正反方向旋转的微型电动机，其转动方向受控制信号控制。简单工作原理：根据摄像机输出视频信号电平的变化输出一控制电压，去驱动镜头中控制光圈的微型电动机做正反向转动，从而实现光圈的自动调整，使摄像机输出的视频信号保持在预先设定的标准电平上。通常这个标准电平定为峰值电平的70％。3.2.4CCD摄像机的几个主要参数1.象素数摄像机CCD传感器的最大象素数。一般来说，CCD传感器象素数越多由该芯片构成的摄像机的分辨率越高。一般表示为：570H×488V，或用总象素数表示：30（27.8）万象素。2．分辨率摄像机的一个重要参数。当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器上能够看到的最多线数——用电视线（TVl）表示。摄像机的垂直分辨率与垂直方向的有效扫描行数有关，水平分辨率与视频通道的带宽有关，近似可以表示为1MHZ相当80TVl3．最低照度最低照度是当被摄景物的亮度低到一定程度而使摄像机输出的信号低到某一规定值时的景物照度值。当景物照度低于最低照度时，反映在监视器屏幕上，图像上噪声点特别多，图像清晰度下降，是一屏很难分辨出层次的，灰暗的图像。4．其它参数性噪比信号电压对于噪声电压的比值。在摄取较亮场景时，此时性噪比较高，屏幕画面通常比较清晰明快，觉察不到画面中存在干扰噪声点；在摄取较暗场景时，此时性噪比较低，屏幕图像比较昏暗，有比较多的干扰噪声点。噪声电压是一定的，信号电压与场景亮度有关，性噪比越高，在相同的照度情况下，摄取图像质量越好（与摄像机的灵敏度、暗电流、动态范围、性噪比有关）。摄像机的性噪比在40dB以上就可以摄取一般质量的图像，CCD摄像机性噪比的典型值为45～55dB。dBNS均方噪声电压均方信号电压log20校正系数、电源电压、功耗、视频输出、同步系统、镜头接口、外型尺寸、重量等。3.3频谱交错与高频混合3.3.1频谱交错原理彩色电视在发展的过程中，一直追求彩色电视和黑白电视的兼容，所谓兼容，就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号，也能重现黑白电视信号；彩色电视接收机既能接收黑白电视信号，也能重现黑白电视信号。要实现兼容，其中最基本的一个条件，就是能够在相同的视频频带宽度（6MHZ）的通道进行彩色电视信号的传输。我们选择一个亮度信号（Y）和两个色差信号（R－Y、B－Y），将色度信号的频谱插在亮度信号的频谱空隙中间，用一个6MHz带宽的通道同时传送亮度信号和色度信号，这种方法称为频谱交错或频谱间置。f(n＋3）fH(n＋4）fH(n＋2）fH(n＋1）fHnfHnfHnfH－50nfH－25nfH＋50nfH＋25前面的分析我们已经得到亮度信号的频谱亮度信号和R、G、B信号有相同的频谱结构。同样亮度信号和两个色差信号可以由R、G、B线性组合产生，故此它们由相同的频谱结构，因为线性变换不会产生新的频率成分。在两相邻的谐波之间有很大的空隙。采用调幅技术可以将色差信号的频谱搬迁到这些空隙中。图3-2(a)色差信号频谱；(b)色度信号频谱；(c)频谱交错fSCffSC4fH3fH2fHfH(a)f(b)fSC－3fHfSC－fHfSC＋3fHfSC＋fHffSC－3fHfSC－fH(c)fSC＋3fHfSC＋fH(a)(b)(c)经过调制的色差信号被称为色度信号，图中所示的亮度信号的频谱与色度信号的频谱相互错开，这就是频谱交错。采用频谱交错技术以后，亮度信号和色度信号就可以共频带传输了。亮度信号与色差信号的频谱交错亮度信号色度信号（n－1）fH（n+1）fHfH正交平衡调制：一路色差信号占有1.3MHZ经调幅后带宽为2.6MHZ，那么两路色差信号调制后所占带宽为5.2MHZ色、亮共存时所占带宽还是很大的，其解决的办法是采用正交调制技术，即两路色差信号分别对相位差为900的载波进行调制，这样，色度信号所占的带宽就只有2.6MHZ。而且，为了进一步减小色度对亮度的干扰，可将一般调幅改为平衡调幅。采用正交平衡调幅，实现频谱交错，实现亮度信号和色度信号共频带传输。3.3.2高谱混合原理利用人眼对彩色细节的分辨力比较差的特点，在电视系统中传送彩色图像时，亮度信号以宽带（0～6MHz）传输，色度信号以窄带（0～1.3MHz）传输，实现频带压缩。发送端发送：亮度信号Y0~6MHz色差信号(R-Y)0~1.3MHz(B-Y)0~1.3MHz接收端得到：R’=(R-Y)0~1.3MHz+Y0~6MHz=R0~1.3MHZ＋Y1.3~6MHzG’=(G-Y)0~1.3MHz+Y0~6MHz=G0~1.3MHZ＋Y1.3~6MHzB’=(B-Y)0~1.3MHz+Y0~6MHz=B0~1.3MHZ＋Y1.3~6MHz666666ffffffMHZMHZRGBRGB1.31.31.3RGBYYY发送端的三基色信号频谱图接收端的三基色信号频谱图3.4NTSC制一路色差信号占有1.3MHZ经调幅后带宽为2.6MHZ，那么两路色差信号调制后所占带宽为5.2MHZ色、亮共存时所占带宽还是很大的，其解决的办法是采用正交调制技术，即两路色差信号分别对相位差为900的载波进行调制，这样，色度信号所占的带宽就只有2.6MHZ。而且，为了进一步减小色度对亮度的干扰，可将一般调幅改为平衡调幅。3.4.1正交平衡调幅与同步检波普通调幅的数学表达式为其中：——载波；——调制信号；与为已调信号的上、下边带。tUtUtUttUUUmmsmsAMcos2cos2coscoscostUscostUmcostUtUttUUmmmBMcos21cos21coscos(1).平衡调幅：平衡调幅又称为抑制载波调幅。抑制载波调幅可以抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。平衡调幅是调制信号与载波相乘：调幅波波形(a)调制信号;(b)载波;(c)AM波;(d)平衡调幅波用色差信号对负载波进行平衡调幅，数学表达式为：UB-Y=(B-Y)Sinωsct色差信号的（B-Y)Sinωsc(a)色差信号(调制信号)；(b)副载波信号；(c)平衡调幅波B－YsinSCt0000.89180°(a)0°180°0°180°0°0.30.590.590.30.89－0.89－0.590.30.59－0.30.89B－YsinSCt(b)(c)v(2).正交平衡调幅:NTSC制用两个色差信号R-Y和B-Y分别对频率相同、相位相差90°的两个色副载波cosωSCt和sinωSCt进行平衡调幅(称为正交平衡调幅)，然后相加成色度信号。数学表达式为：ec(t)=(B-Y)Sinωsct+(R-Y)Cosωsc式中ec(t)为色度信号；ωsc为负载波角频率。图3-4(a)正交平衡调幅器；(b)色度信号矢量图R－YR－Y平衡调幅FR－Y(R－Y)cosSCtcosSCt90°移相sinSCtB－YB－Y平衡调幅(B－Y)sinSCt(a)(b)B－YFDYDXCθ0B－YR－Y由上式描述的色度信号ec(t)及两个分量可以用矢量图表示。DX和DY分别表示两个00和900相位的副载波，C表示色度矢量。C在横轴和纵轴的投影DX和DY分别表示C的水平分量B－Y和垂直分量R－Y。C表示色度矢量的模：θ表示色度矢量的相位角:YBYRYRYBCarctan22（色饱和度）（色调）(3).同步检波:色度信号的解调tYBtYRYRttetYRtYBYBttescscsccscscscc2sin212cos2121cos2sin212cos2121sin同步检波是用与调制副载波同频、同相的解调副载波去乘色度信号，经低通滤波器后得到色差信号。我们所需要的色差信号是信号中的低频分量，其频谱为0～1.3MHZ，可以通过低频滤波器从上述两式中分离出色差信号（R－Y）、（B－Y）。同步检波电路由模拟乘法器和低通滤波器组成同步检波电路由模拟乘法器和低通滤波器组成模拟乘法器低通滤波器ec(t)SinωsctB=1.3MHzB-Y模拟乘法器低通滤波器ec(t)CosωsctR-YB=1.3MHz（4）色同步信号要能正确解调出两个色差信号，必须保证发送端的调制副载波和接收端的解调副载波同频同相。然而，发送端采用平衡调幅，副载波已被抑制。因此，发送端还应向接收端传输一个基准频率、基准相位的信息，这就是色同步信号。图3－11色同步信号色同步信号是一串频率等于副载频fsc的断续正弦波，如图所示。它在行消隐的后肩上，共有（9±1）个副载波周期Tsc，正弦波的初始相位为1800，可表示为0180sinttKtescb（9±1）TscS2SS1.5μs作用：色同步信号作为接收机恢复副载波的频率和相位的基准，用于解调色度信号。形式：色同步信号是9个周期左右的、振幅和相位都恒定不变的副载频群。位置：放在行消隐后肩。如果丢失色同步信号将会失去彩色。3.4.2色度信号的幅度压缩(1).为什么压缩：根据频谱交错原理，为了节省频带，需要将色度信号叠加在亮度信号上传送。如果色度信号不压缩，叠加后的标准彩条信号的电平范围大大超过了黑白电视所规定的范围。可计算得出：Y、R－Y、B－Y、C以及Y－C、Y－C如下表所示（见教材P.90）色别RGBYB－YR－YCY＋CY－C白1.0001.0001.0001.0000.0000.0000.0001.0001.000黄1.0001.0000.0000.866–0.8660.1140.8931.780–0.010青0.0001.0001.0000.7010.299–0.7010.7621.460–0.060绿0.0001.0000.0000.587–0.587–0.5870.8301.420–0.240品红1.0000.0001.0000.4130.5870.5870.8301.240–0.420红1.0000.0000.0000.2