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1、第六章,电视成像原理,2,6.1 引言,电视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（或图像）的技术。,摄像部分，利用摄像管的光电效应，将景物随时间和空间变化的光信息变成电信号；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。显像部分一般利用荧光材料或液晶的电光效应，将电信号重新还原成对应的光图像。,3,6.1 引言,像素,根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，平面图像总可以看成是由许许多多小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。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。,基本概念,一幅黑白平面图像，表征它的特征参量是亮度。即组成
2、黑白画面的每个像素，不但有各自确定的几何位置，而且各自还呈现着不同的亮度。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 为：,(6-1),4,6.1 引言,图像帧,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，帧是构成活动图像的最小单元。,将组成一帧图像的像素，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。,扫描,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。,5,6.1 引言,扫描
3、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fB(x,y,t)fB(t)，所以传输通道的输出u(t)= fB(t)，即单一时间函数的亮度信息变量。,在电视成像中，为了使人感觉到连续活动的图像，每秒钟需要出现1000万个像素，能够达到如此高的记录速度的，只有电子扫描技术。,电子扫描由电子枪进行，指利用电场或磁场的作用，使电子束高速运动。事实上，电子扫描正是电视系统中完成图像分解和合成的基本手段。,6,6.1 引言,按电子束的运动规律不同，电子扫描可以分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等多种方式。,在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，通常采用匀速单向直线扫描方式
4、。,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。既同频又同相才能实现同步扫描，保证重现图像既无水平方向扭曲现象，也无垂直方向翻滚现象。,7,6.1 引言,电子束的扫描是靠偏转系统实现的。只有电子束按一定规律偏转，而且这种偏转规律与发送端一致时，才能重现原来的图像。电子偏转分静电偏转和电磁偏转。,静电偏转,静电偏转是靠加在偏转板上的锯齿波电压，并在偏转板之间形成电场E而使电子束受力产生偏转。电场力为：,(6-2),式中e为电子的电荷。,8,电磁偏转,6.1 引言,电磁偏转是靠
5、偏转线圈中所通过的电流形成磁场，使电子在磁场中运动受力而偏转，其偏转方向由电磁学的左手定则确定。磁场力为：,(6-3),注意：磁场较大时，屏幕边缘部分会出现延伸性失真，扫描电流需要一定的非线性。进行线性扫描需要线性良好的锯齿波电流流过线圈。但是，为了克服延伸性失真，实际电流需要有一定的非线性。另外，要在水平和垂直方向同时施加磁场进行扫描，需要两组互相垂直的偏转线圈。电磁偏转容易实现大偏转角，射线电流大、像差小，所以摄像管和显像管都采用电磁偏转。,9,6.1 引言,电磁偏转示意图,磁场强度B 电子速度v 电子质量m 电子电荷e,10,6.1 引言,11,6.1 引言,根据左手定则，对电子束施加水
6、平方向磁场，电子束做垂直方向偏转；对电子束施加垂直方向磁场，电子束做水平方向偏转。,在电视系统中，摄像管与显像管外部都装有水平和垂直两组偏转线圈。同时加入锯齿波电流时，电子束既作水平扫描又作垂直扫描，形成直线扫描光栅。,逐行扫描,电子束从屏幕左上端开始，按照从左到右，从上到下的顺序以均匀速度一行接一行的扫描，一次连续扫描完成一帧电视画面的方式称为逐行扫描。,12,6.1 引言,行扫描过程中，电子束从左到右的扫描称为行正程扫描，所需时间THS；电子束从右到左的扫描称为行逆程扫描，所需时间THR；行扫描周期TH=THS+THR，行扫描频率fH=1/TH。,电子束从上到下的扫描称为帧正程扫描，所需时
7、间TFS；电子束从下到上的扫描称为帧逆程扫描，所需时间TFR；所以，帧扫描周期TF=TFS+TER，帧扫描频率fF=1/TF。,帧周期应为行周期的整数倍Z，Z足够大时，人眼将分辨不出行扫描光栅结构,13,6.1 引言,为了使图像均匀清晰，电视系统在逆程期间不传送图像信号，采用消隐脉冲截止扫描电子束，使逆程无扫描线。,为了提高传输效率，应使正程时间远大于逆程时间。,我国电视广播技术体制规定：行逆程系数约为18，即THR/TH18%，帧逆程系数约为8， TFR/TF8%。,隔行扫描,一帧图像逐行扫描完成后，整个屏幕亮一次。根据人眼视觉惰性及临界闪烁频率，在保证无闪烁感的条件下，要求电视屏幕每秒钟亮
8、的次数须在48次以上。,提高帧频，会增加图像信号的传输带宽。为了消除闪烁感又不使图像信号传输带宽过宽，提出了隔行扫描方案。,14,6.1 引言,隔行扫描是将一帧电视图像分成两场进行交错扫描。第一场对图像的奇数场扫描，第二场对图像的偶数场扫描。奇偶两场光栅均匀相嵌，构成一幅完整画面。,由于扫完每一场屏幕从上到下整个亮一次，所以，扫完一幅图像屏幕亮了两次。这样，帧频是场频的一半，在保证无闪烁感的同时，又使图像信号的传输带宽下降一半。,隔行扫描光栅及电流波形,一帧图像行数一般选为奇数，每场均包含半行。奇数场最后一行为半行，偶数场第一行为半行，最后一行为整行。,15,6.2 摄像原理,电视信号的产生由
9、摄像管完成。摄像部分是利用摄像管的光电效应，将景物随时间和空间变化的光电信息变成电信号。,黑白摄像管,摄像管是实现光电转换的摄像器件，它将二维空间分布的光学图像转换为一维随时间变化的视频电信号。摄像管主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。,工作过程：, 光电转换：2D光强分布2D电量分布。, 电荷存储：电量积累电荷分布靶面。, 信号扫描读出：电子枪逐点扫描视频信号。,16,6.2 摄像原理,黑白摄像管的构造,1）光电效应,外光电效应：指一些金属如钾、铀在光能量激发下发射电子。,内光电效应：指一些半导体材料（如硫化锑）在光能量的激发下改变其电阻。,内光电效应转换效率高，材料可以存储和积累电
10、荷，应用广泛。,17,光学图像正电荷向低电位转移电位图像。光电导体形成跨层电场，受到光照后，电导率升高，升高的程度与光照强度成正比。正电荷从高电位流向低电位，靶的右侧电位升高。这样就把入射在光电导体左边的光学图像，转换成了右边的电位图像。,6.2 摄像原理,光电导靶绝缘面电位的上升过程是电荷的积累过程。注：光电导靶是半导体，未受到光照时，具有较高的电阻率（1012欧.cm）,18,摄像管未工作时，光电导靶两个表面间有数十伏的电压差；工作时，光照使受光面产生光生载流子，两表面间产生放电电流，靶的绝缘面电位上升。一帧时间内，放电电荷是连续积累的。,6.2 摄像原理,2）电荷存储与积累 入射光子轰击
11、光电导靶，产生本征吸收（光生载流子），引起电导率变化与图像照度分布一致。电导率变化导致光电靶两侧放电，绝缘面电位上升，上升的数值对应于该点输入图像照度值。,细电子束发射源：间热式氧化物阴极。,聚焦系统：聚焦线圈的磁场和聚焦阳极的电场。,偏转系统：两对磁偏转线圈（偏转角一般小于10o）。,19,内光电效应积电式摄像管视频信号形成等效回路,45V,100K,摄像时，Re变化很大充电电流变化很大负载电阻RL上形成图像信号电压（几十毫伏）。,摄像管阴极,6.2 摄像原理,光电靶像素：一个大电阻和小电容的并联。,电子束：单刀多掷开光。,充电回路：E，RL，信号极，Ce，R，K，E。,无光照时，Re很大，
12、补充电流非常小（0.5nA，几十微伏）。,光线越强，等效电阻Re越小。E为靶电源。系统沿使Ce左端电位为E，右端电位为零，扫描间隔中Ce会放电，形成非常微弱的暗电流，约为0.5nA，输出信号电压约为几十微伏。摄像时，依次接通各个像素，Ce放电，右端电位上升，形成电位像。电子束对电位像的高电位进行充电，充电电流能够反映电位的高低，也就反映了像素的亮度，RL上形成图像信号电压（约几十毫伏）。,20,彩色摄像管,棱镜分色系统与滤色镜,反绿镜,反蓝镜,加强反射,EG,EB,ER,6.2 摄像原理,摄像管本身并无辨色能力，它只能辨别亮度，输出信号的颜色特征是靠分色系统和滤色片赋予的。,彩色摄像机,三个黑
13、白摄像管+,棱镜分色系统+,红、绿、蓝滤色镜,三基色信号ER，EG，EB,21,6.2 摄像原理,6.2.1 全电视信号,黑白全电视信号由图像信号和辅助信号组成，辅助信号有同步信号和消隐信号。,1）电视图像信号波形,图像信号是由摄像管将明暗不同的景象经过电子扫描和光电转换而得到的电信号。该电信号有正负极性之分：光线越强，输出信号电平值越高为正极性图像信号；光线越强，输出电平值越低，称为负极性的图像信号。,正极性图像信号,负极性图像信号,22,一般说来，电视图像信号是随机的。,负极性随机图像信号,6.2 摄像原理,电视图像信号的特点,对于一般的活动图像，垂直方向变化缓慢，相邻两行或相邻两帧的图像
14、信号差别很小，行（帧）间具有较强相关性。, 近似周期性,电视图像波形的近似周期性,23,6.2 摄像原理,电视图像信号具有直流成分，其数值总是在零值以上或以下的一定范围内变化，不会同时跨越零值上下两个区域。因此，图像信号具有平均值，其数字决定了图像的背景亮度。, 单极性,2）电视图像信号的频谱分析,频谱指信号中所含的频率成分及其能量分布，即各频率成分的相对幅度。,摄像时，图像上各像素的亮度按时间顺序变为电信号，因此，图像信号是时间的函数fB(t)。,图像信号是单极性信号，其幅度与亮度成正比，其频带宽度与图像内容有关。,24,6.2 摄像原理,欲求电视图像的频带宽度，必须知道其最高和最低频率。,
15、最低频率：指图像的背景亮度，即图像信号的直流分量，其频率接近于零。,最高频率：需要根据孔阑效应进行计算。孔阑效应指电子束孔径的大小对图像水平分解力的影响。,图像孔阑效应及对应电视信号,25,6.2 摄像原理,孔阑效应表明：扫描电子束直径与像素大小相当时，其图像信号近似为正弦波，故图像信号的最高频率为：,（6-7）,这里，N指水平分解力，即一行内所能分解的黑白条纹数：,Z表示每帧的行数，M表示垂直分解力，K表示幅型比系数。(1-)Z表示扫描行数减去消隐的行数，即有效扫描行数。Ke是凯尔系数。,（6-8）,实验表明，在同一电视系统中，水平分解力与垂直分解力相当时图像质量最佳。,26,6.2 摄像原
16、理,（6-9）,（6-10）,为场逆程系数。如果采用隔行扫描，则fFfv/2，得到：,（6-11）,THS是行正程时间，除以像素数目N得到每个像素的采样时间。TH表示行逆程时间。 表示行逆程系数。fH指行频，它等于帧频fF乘以每帧行数Z。在逐行扫描的情况下，fFfV，得到：,27,6.2 摄像原理,如何确定场频fV？,根据扫描光栅无闪烁和活动图像有连续感的要求，场频一定要大于临界闪烁频率，即fV48Hz。根据占用频带宽度尽可能窄以及不受电源干扰的要求，场频最好与电力网频率同步。,目前各国的场频与本国的电源频率相同，即50Hz或60Hz。,注：如果场频与电力网频率不相同，接收机电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图像会产生扭曲摆动和“滚道”现象。如果场频和电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。不过，现代接收机的生产工艺水平已经能够克服这些电源的干扰，因此场频与电力网频率相同的要求并非必要。,28,如何确定每帧行数 Z？,此参数旨在提供当观看距离为屏幕高度的6
