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1、电视原理、制式及 CCD 简介13.1.1 电视原理当人们实现了文字、声音信息的远距离传送（电报、电话、无线电通信广播）之后，自然就有一种强烈的愿望把远方活动景象传送到眼前而实时地看到视力范围之外的世界。这就是人类“千里眼” 的梦想， “TELEVISION（电视） ”的由来。毕竟使人类通过视觉器官获取的信息量，远远超过其他感觉器官获得的信息量，所谓“百闻不如一见”就是这个道理。人眼观看的景象，是在视力范围的空间中存在并与外界环境相联系的一切活动的和静止的人、物形象的反映。外界存在是客观的，但给各人的映像又有其个人主观的心理和生理因素的影响。在视力范围之外的景象,是由电视作为传送的媒介,如图
2、13-1，其任务就是尽可能逼真的再现外界的客观景象，使其符合一般人的视觉生理特性，让观察者没有异样的感觉，如同直接对自然景象的观察。为实现这一目标，电视技术的发展和完善必然涉及生理学、心理学、光学、电子信息材料等学科和各种机械、电子、半导体等工艺技术。这里仅就几个最基本的问题作简单的介绍。图 13-1 介于人与外界之间的电视系统1图像的扫描传送电视系统原理简述框图如图 13-2 所示。在电视之前，照相机、电影摄影机已对镜头有了深入的研究。电信通信理论和技术的发展解决了传送通路的问题。阴极射线示波管奠定了显示器件的基础。要实现电视的功能，在有完善的光电传感器件和电光转换显示器件的基础上，技术原理
3、首要解决的是图像的实时传送并原样恢复的问题。图 13-2 电视系统简述框图声音是一种只随时间单一变化的量，当它变换为电信号（电压或电流）后在电信通道内传送时，符合电信通道传送的电流或电压只能是时间的单值函数的要求。声/电传感器和电/声变换器只解决非电量和电量的转换问题。但是图像的传送却要复杂得多。自然景物和人构成的图像，它是在三维空间中存在和活动的，而且各个景物和人的各部位给人眼有着不同的明暗和色彩感觉，这种随时可能变化的丰富多彩的画面，怎样变成随时间变化的单值函数来传送而后又实时地恢复为满意的图像呢？人们首先将问题由空间简化为平面。实际上在此之前即有的电影、照片、彩印的图像都是平面的，现在的
4、彩色电视图像也是平面的，供人们观看都有满意的效果。在电视技术发展过程中，彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的，因此，对于传送电视图像的基本原理的了解可进一步简化为如何实现黑白电视图像的传送问题。一幅图像可以分解为若干个成矩形阵列排列的有一定几何尺寸的微小单元（图 13-3） 。现今的固体面阵传感器件正是这样的形式，其每个微小单元称之为“像素”。处于 HV 平面上的每个像素有着不同的水平 h 和 v 位置，在光线照射下，在某一时刻 t 每个像素反射或透射出不同的亮度 L 值，可以由式 13-1 描述。图 13-3 像素矩阵排列L = F1(h,v,t) (13-1)要实现电视的传送，即将平面上随
5、时间变化的各个像素的亮度值（变换为电流或电压）有规律的逐个发送出去，而这种有规律的传送，就是将 h 和 v 变为时间的函数，即h = Fh(t) v = Fv(t)将 h、v 代入式 13-1，亮度值便成为一个时间的单值函数。LF 2(t) (13-2)它正适于电信通道传送。通过电信通道（有线的或无线的）到接收端后，只要找到准确的起始时刻，按照与发送时相同的规律，即可在显示器件上对应的像素位置重现相应的亮度，从而正确地恢复图像。这种逐个发送和接收的过程称为扫描和同步，其特定的规律则称为扫描方式。显然，只要收、发两端遵循同样的扫描方式，就可以实现电视图像的正确再现。因为在电视技术的发展初期，没有
6、统一的国际标准，形成了多种电视体制，其中重大的差别就与扫描方式有关，关于电视制式问题下面还将进一步介绍。一幅幅电视图像的扫描，构成了动态的连续的电视画面，如同电影胶片透射的画面形成屏幕上的电影。它们利用了人眼的“视觉暂留”特性，即一定亮度的画面连续变换频率高到一定数值就不会有闪烁感觉，这个值称为“临界频率”。此外，对高速运动物体，还存在运动速度的影响，在无闪烁感觉时整幅画面如更替变化太慢，仍然可能出现位置上不连续的动画感。这些就是电视扫描中场频、帧频选择的决定性因素。2彩色电视的基础三基色理论电视技术是与人眼视觉功能密切相关的科学，对于彩色视觉的研究，是实现彩色电视的基础。大家知道，天上的彩虹
7、，是太阳光穿过大气层，不同波长的光受到不同程度折射的结果。一束白色的光通过玻璃三棱镜，可以大体分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫几种颜色。这些现象证明，看似白色的阳光，它却是由不同波长的色光复合组成的，和其他电磁波一样，它们具有同样的电磁波辐射特性，只是人眼可见光的波长，大约只占 380nm（纳米）780nm（纳米）这样一个很小的区段，由长到短，依序排列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。比红色光的波长长一些的光称近红外光，再长一些的光称远红外光，比紫色光的波长短一些的光称紫外光，这些光都不为人眼所觉察，都属不可见光。更长、更短波长的电磁辐射波，便不属经典光学研究的范畴之内了。自然界存在的景象呈现丰富多
8、彩的颜色，是在特定的光照下，人眼接受了照明光光谱中被物体反射或透射的那一部分波长的光的能量而产生的彩色感觉。人眼彩色视觉的生理机制是人眼具有三种不同的锥状光敏细胞，它们分别只对红色、绿色和紫色光谱的光能量刺激产生视觉反映。这是约两百年前提出的一种假设，成功地解释了绝大多数有关彩色的视觉现象，而四十年前一项获得诺贝尔奖的科学实验证实了这三种细胞的存在。小有修正的是紫色光敏细胞为蓝色光敏细胞所代替，蓝、紫在光谱分布上相邻，而每一种颜色都与一定宽度的光谱范围对应，该实验证明的结果与原来的假设没有实质上的差别。对蓝色光敏感的锥状细胞称 细胞，对绿、红色光敏感的锥状细胞分别称为 细胞、 细胞。、 细胞的
9、存在，为此前大量实验研究得出的彩色视觉的三基色理论提供了心理物理学基础。这就是说，对于一种色可以分解为红、绿、蓝三种成分。反之红、绿、蓝（或其中某两种）色相加又可得出一种特定的色。彩色摄像的原理，正是在对每个像素的色光分解为红、绿、蓝三色的基础上进行光学和电子技术处理的。人们对彩色和彩色视觉所作的大量实验研究，总结出了色光的混合定律。根据格拉斯曼(Grassman)色光相加混色定律得知，颜色感觉相同的色光，不论其光谱结构是否相同，在相加混色中效果是相同的。也就是说，不同波长的可见光呈现的颜色不同，但实验证明，同一种颜色，却可以由不同波长的光混合组成。二者可以相互代换。把两种色调节成在视觉上相同
10、或相等，获得与某种颜色相同色感的代替色称为色的匹配。方法是采用红、绿、蓝作为基色相加混合，匹配得出该种样品的色彩。红、绿、蓝三基色相加混合可以匹配出很多不同的色彩，但这三基色却是相互独立的，任意两个基色组合不可能得出另一个基色。红（R） 、绿（G） 、蓝（B）三基色混色所得的色调彩色的类别，可以用三个色圈及它们的叠合部分所标出的颜色表示。见图 13-4。图 13-4 三基色的相加混色红、黄、绿、青、蓝都是光谱分布上的主色光。介乎红、黄之间的橙色，可调整红、绿相加混色时的配比匹配得出。品红（或称紫红）色是一个非谱色光，它是红、蓝相加合成的色感，由它也可衍生出另一谱色主色紫色的色感。相加混色的方法
11、，利用人的视觉特性可以有几种。三色光同时相加混色称为同时混色法。各个相加色光快速轮换刺激人眼称为轮换混色法，当轮换速率足够高时，与同时混色法有同样的效果。另一种常在彩色电视显像管以及纺织刺绣织品中应用的方法就是镶嵌混色法。这种方法是把相加色分为小面积单元，各色小单元互相交错相邻放置形成一个镶嵌面光源。在一定距离远观看时将不能分辨出各小单元的个别色而看成相加混色后的一个单元。它同样符合相加混色定律。另外，绘画、印刷、照相、彩色影片利用了相减混色的方法（见图 13-5） ，这些行业把黄、青、品三种颜料称为三基色。单板彩色 CCD 摄像机中,为取得色度信息,所加的光学滤色片,也利用了这种黄、青、品的
12、三基色方法。这种三基色的相减混色方法，得到的混色结果如图 13-5 所示。图 13-5 三基色的相减混色上述两种三基色的混色法得出的结果，可以用图 13-6 的理想谱密度波形来说明。为了便于记忆，我们可以把相加混色三基色的结果（见图 13-4） ，看成是逻辑相加：R+G=Y，G+B =C，B+R=M，R+G+B=W，相减混色三基色的结果（见图 13-5） ，看成是逻辑相乘：YM =R，YC= G，CM=B，而 YMC=BL。图 13-6 理想谱密度分布13.1.2 电视的制式 http:/在安全技术防范中应用的电视系统制式为国家标准GB12647-90 通用型应用电视制式所规定。与我国广播电视
13、系统基本相同。这样的规定，在国内许多设备、仪器能兼容，降低了系统成本。制式，是指一定的技术规格或标准，不仅表现为某些指标数量上的差异，更主要的是在体制上的不同，譬如度量衡制中的“公制”与“英制” ，广播电音的“调频”与“调幅”发送方式等。在电视系统中，不同制式的主要差别在扫描方式。前面曾经提到扫描方式是发送图像与接收恢复图像的一种约定，如果扫描方式不同，根本就不可能接收到图像。国际无线电咨询委员会（缩写简称 CCIR）把世界各国和地区使用的广播电视制式划分为 13类基本制式，其主要特性见表 13-1。表 13-1 电视的基本制式制表名称特性M B，G ，H I D， K，K 1 L C E A
14、 N每帧扫描线数 525 625 625 625 625 625 819 405 625场频（ Hz） 60 50 50 50 50 50 50 50 50帧频 30 25 25 25 25 25 25 25 25行帧 15750 1565 15625 15625 15625 15625 20475 10125 15625额定射频带宽 6 7.8.8 8 8(8.5) 8 7 14 5 6额定视频带宽 4.2 5 5.5 6 6 5 10 3 4.2伴音与图像频差 +4.5 +5.5 +6 +6.5 +6.5 +5.5 11.15 -3.5 +4.5视频调制极性 - - - - + + + +
15、 -伴音调制的方式 FM FM FM FM FM FM FM FM FM制式的其他名称美国EIA标准制式西欧标准制式英国（新）标准制式东欧标准制式法国UHF标准制式比利时标准制式法国VHF标准制式英国（旧）标准制式美国625 行标准制式美国电子工业协会（EIA）是美国电子行业的组织，在发展电视工业过程中制定的一些标准，后来也纳入了 CCIR 的分类基本制式中。在摄像机产品中往往标注为 EIA 的制式，实际即为场频 60Hz,每帧 525 行的那种电视体制，以与 CCIR 的场频 50Hz，每帧 625 行的电视制式相区别。 “额定视频带宽”与每帧扫描线数相关，是对视频电路的要求。在广播电视系统
16、中，因为涉及到射频载波和音的传送，故而还有“额定射频带宽” 、 “伴音与图像载频差” 、 “视频调制极性” 、 “伴音调制方式”等项的差别。在应用电视系统中一般为视频基带传送，没有这些项目。在通用型应用电视制式的规定中，我们还会见到“隔行扫描”的规定。一帧（幅）画面共 625 线（行） ，分为两场扫描，一场实际上包含了二分之一的帧线数。如果按垂直方向将扫描线排列，如图 13-7 隔行扫描示意图则实线为奇数场扫描行，虚线为偶数场扫描行，这就是“隔行扫描” 。为一般电视系统所采用。图 13-7 隔行扫描示意图如果不间隔行而一行接一行扫描，就是“逐行扫描” 。在一些特殊的应用电视系统中，有可能用这种方式。由GB1264790 通用型应用电视制式的规定与上表对照，我国是采用隔行扫描的 CCIRD 制。以上的制式没有涉及彩色信息传送的问题，在黑白电视之后发展起来的彩色电视，必定要考虑到与前者的
