电视传像基本原理剖析

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1、2.1.1 图像顺序传送原理 1.图像的表示法 根据三基色原理彩色图像由红、绿、蓝三个基色图像叠加而成。对于 彩色电视，每一个平面活动基色图像都可以表示成空间坐标x、y和时 间t 的三维连续函数： fR (x , y , t);fG (x , y, t) ;fB (x , y , t) 对于黑白电视，平面活动图像只是亮度图像，表示为 fL(x , y , t) 2.1 电视系统组成原理 电视系统：摄像电视系统：摄像传输传输显像显像 第2章 电视传像基本原理 根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，可以把一幅平面图像通过空 间采样离散化成许多小单元，这些细小单元具有单一的亮度和色度，称 为像素（pi

2、xel）。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清 晰。 根据人眼的视觉惰性可以通过时间采样把连续的景物分解成一幅幅时间 不连续的画面，只要画面的显示频率高于临界闪烁频率，就可以获得连 续活动图像的感觉。 通过空间采样和时间采样，每一个平面活动基色图像都可以表示成 空间坐标m、n和时间k 的三维离散函数: fR( m, n, k );fG( m, n, k ) ;fB( m, n, k ) 对于黑白电视，平面活动亮度图像可表示为： fL( m, n, k ) 通过电视图像离散化压缩了需要传送的信息量，但是如何传送三维 活动电视图像？ 2. 2. 图像的顺序传送图像的顺序传送 若把不同位置

3、上的像素同时转变成相应的电信号，分别用相应信道同时若把不同位置上的像素同时转变成相应的电信号，分别用相应信道同时 并行传送出去，至少需要并行传送出去，至少需要4040万个信道万个信道 ，不经济，也不可能。不经济，也不可能。 利用人眼的视觉惰性，利用人眼的视觉惰性，采用采用顺序传送顺序传送方法，方法，将各个像素的光信号按一定将各个像素的光信号按一定 的顺序变成电信号在一个信道内传输，接收端再按同样的顺序将电信号的顺序变成电信号在一个信道内传输，接收端再按同样的顺序将电信号 变成光信号，只要速度足够快，人眼感觉图像就是完整和连续的。变成光信号，只要速度足够快，人眼感觉图像就是完整和连续的。 顺序传

4、送示意图顺序传送示意图 对比对比: : 同时传送示意图同时传送示意图 3. 3.扫描扫描 将光图像转换成顺序传送的电信号的过程及其逆过程称为将光图像转换成顺序传送的电信号的过程及其逆过程称为扫描扫描。 fL( m, n, k ) 三维图像信号 f(t) 一维电视信号 扫描 行扫描行扫描正程：正程：从左到右从左到右水平扫描水平扫描 扫描 扫描 逆程：快速从右端返回左端逆程：快速从右端返回左端 场扫描场扫描正程：正程：从上到下从上到下垂直扫描垂直扫描 逆程：快速从下端返回上端逆程：快速从下端返回上端 在时间上每帧图像周期重复上述扫描 在时间上每帧图像周期重复上述扫描 2.1.2 光-电/电-光转换

5、原理 发端 ：通过摄像机实现光（三维图像）电（一维信号）转换 收端 ：通过显像管或显示屏实现电（一维信号） 光（三维图像）转换 1.摄像 CCD摄像机，CCD（ Charge Couple Device ）：电荷耦合器件 MOS（Metal Oxide Semiconductor） ：金属氧化物半导体 CMOS摄像机，CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor):互补 金属氧化物半导体 彩色电视传送示意图 读出移位寄存器（遮光） 图像信 号 感光单 元 存贮转移区光敏成像区 转移移位寄存器（ 遮光） 帧转移CCD摄像机 三相CCD电荷转移（参见

6、5.2.3节） 2. 显像 阴极射线管（ Cathode Ray Tube CRT)工作原理 由电子枪阴极发出电子束，由电子枪阴极发出电子束， 在偏转磁场作用下，按照与在偏转磁场作用下，按照与 摄像管相同的扫描规律，在摄像管相同的扫描规律，在 高压阳极的吸引下轰击荧光高压阳极的吸引下轰击荧光 屏。电视信号加到显屏。电视信号加到显像像管的管的 栅极，控制电子束的能量，栅极，控制电子束的能量， 从而控制荧光粉的发光亮度从而控制荧光粉的发光亮度 ，使荧光屏正确重现发端图，使荧光屏正确重现发端图 像像。 （1 1）空间混色方式）空间混色方式 荫罩式彩色显像管荫罩式彩色显像管 三枪三束显像管三枪三束显像

7、管RGBRGB点阵 点阵 单枪三束自会聚显像管单枪三束自会聚显像管RGBRGB 点阵（点阵（参见参见6.4.56.4.5节节） 品字形排列 一字形排列 新型显示器：平板显示器(FPD-Flat Panel Display) 参见6.9节 u液晶显示器：LCD (Liquid Crystal Display) u液晶显示器件本身不发光，而是利用液晶的电光效应，通过施加电压改变液 晶的光学特性，从而组成对入射光的调制，是通过液晶的透射光或反射光受所 加电压的控制，达到显示的目的。 u透射型显示 u反射型显示 u投影型显示 u液晶显示器依驱动方式： u静态驱动（Static） u简单矩阵驱动（Sim

8、ple Matrix）：扭转向列型（TN）、超扭转向列型（ STN） u有源矩阵驱动（Active Matrix）：薄膜式晶体管型（TFT） 新型显示器：平板显示器(FPD-Flat Panel Display) 参见6.9节 u液晶显示器：LCD (Liquid Crystal Display) 扭曲向列型LCD原理 薄膜晶体管驱动 简单矩阵驱动 信号电压 扫描电压 衬底红绿蓝滤色膜液晶阀 基片 冷阴极荧光灯 亮状态 暗状态 u等离子体显示屏 PDP (Plasma Display Panel) u等离子体是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的 状态，也可以说是气体放电的主体。 u等离子体

9、显示器是将成千上万个极小的冷阴极放电管（ 等离子管）封在两层玻璃之间构成屏幕，利用在其阳极和 阴极间加一定的电压，是管内的气体产生辉光放电。放电 气体为氖氙混合气、氦氙混合气或氦氖氙混合气等。 u按工作方式不同分为直流型（DCPDP）和交流型（ ACPDP）两大类。 uPDP是一种主动发光型显示器。 u等离子体显示屏 PDP (Plasma Display Panel) 惰性气体辉光放电 红绿蓝荧光粉 表面放电式ACPDP单元 表面放电式彩色ACPDP结构 维持电极（脉数调制） 2. 2. 同时投影混色方式：同时投影混色方式：参见 参见 6.106.10节节 CRTCRT背投背投 光源信息源合

10、一光源信息源合一 LCOSLCOS硅基板液晶硅基板液晶 (Liquid Crystal On Silicon)(Liquid Crystal On Silicon) 光源信息源分离光源信息源分离 PBS-极化分光镜：反射 S偏振光，投射P偏振光 DLPDLP数字光处理器数字光处理器 (Digital Light Processing)(Digital Light Processing) 光源信息源分离光源信息源分离 像素单独控制像素单独控制 DMD Digital Micromirror Device 数字微镜器件 根据显示的数据信息控制微镜 在一帧内开关的时间间隔 TIR棱镜全反射棱镜 （高

11、速旋转） 逐行扫描电流波形： （a）行扫描锯齿波电流 （b）帧扫描锯齿波电流 2.2 电视扫描原理 以CRT显像管为例，通过行（水平）扫描和帧（垂直）扫 描共同形成矩形扫描光栅： 2.2.1 逐行扫描 逐行扫描光栅逐行扫描光栅 a. 只有行扫描时 b. 只有场扫描时 c. 帧正程扫描 d. 帧逆程扫描 e. 消去行帧逆程后的扫描光栅 逐行扫描动画逐行扫描动画 行扫描基本参数行扫描基本参数 行正程扫描时间行正程扫描时间: : ，行逆程扫描时间，行逆程扫描时间: : 行扫描周期：行扫描周期： ，行扫描频率：，行扫描频率： 帧扫描基本参数帧扫描基本参数 帧正程扫描时间帧正程扫描时间: : ，帧逆程扫

12、描时间，帧逆程扫描时间: : 帧扫描周期：帧扫描周期： ，帧扫描频率：，帧扫描频率： 正程扫描时间占整个扫描周期的大部分：正程扫描时间占整个扫描周期的大部分： 行扫描逆程系数行扫描逆程系数： ，一般，一般1818 帧扫描逆程系数帧扫描逆程系数： ，一般，一般8 8 每帧的光栅互相重叠，设每帧的光栅互相重叠，设每帧扫描行数每帧扫描行数为为Z Z，则：，则： 2.2.2 隔行扫描 1.隔行扫描的提出 我国标准为我国标准为625625行行/ /帧（按帧正程帧（按帧正程600600行计算），帧频行计算），帧频50Hz50Hz，每行有，每行有800800个个 像素像素( (按按400400个正弦波周期计

13、算个正弦波周期计算) )，采用逐行扫描方式，要求电视信号带宽为采用逐行扫描方式，要求电视信号带宽为 ： 对电子线路系统和频率资源都提出很高的要求。对电子线路系统和频率资源都提出很高的要求。 希望使电视信号带宽减半。一种方法是帧频减半，会引起电视画面的大面希望使电视信号带宽减半。一种方法是帧频减半，会引起电视画面的大面 积闪烁；另一种方法是每帧扫描行数减半，会引起垂直分解力降低，图像积闪烁；另一种方法是每帧扫描行数减半，会引起垂直分解力降低，图像 清晰度下降。这两种方法都不可取。清晰度下降。这两种方法都不可取。 根据人眼的视觉特性，根据人眼的视觉特性，一帧一帧图像分图像分两场两场扫描，一场扫描奇

14、数行，另一场扫扫描，一场扫描奇数行，另一场扫 描偶数行，两场合为一帧，即采用描偶数行，两场合为一帧，即采用隔行扫描隔行扫描方式。此时：方式。此时： 活动图像活动图像2525帧帧/ /秒秒=50=50场场/ /秒秒 临界闪烁频率临界闪烁频率=48Hz=48Hz 每场扫描行数：每场扫描行数：312.5312.5行，每帧扫描行数：行，每帧扫描行数：625625行行, , 理论垂直分解力不变。 理论垂直分解力不变。 由于帧频减半，电视信号带宽减半：由于帧频减半，电视信号带宽减半： f f = 6MHz= 6MHz 即在不引起大面积闪烁同时垂直分解力基本不变的情况下，比逐行扫描方即在不引起大面积闪烁同时

15、垂直分解力基本不变的情况下，比逐行扫描方 式节省一半信号带宽。式节省一半信号带宽。 2. 隔行扫描光栅的形成 奇数行扫描（奇数场）偶数行扫描（偶数场）两场均匀镶嵌形成一帧图像 隔行扫描应满足的基本要求隔行扫描应满足的基本要求 每帧起点相同，各帧扫描光栅重叠。要求：每帧必须为整数行；每帧起点相同，各帧扫描光栅重叠。要求：每帧必须为整数行； 相邻奇偶两场光栅均匀镶嵌，各场扫描波形一样相邻奇偶两场光栅均匀镶嵌，各场扫描波形一样 ，要求：每场为整数行，要求：每场为整数行 加半行，即加半行，即每帧必须为每帧必须为奇数行，奇数行，Z Z = 2= 2n n + 1+ 1 行频与场频关系：行频与场频关系： 隔行扫描光栅 忽略行场扫描逆程的隔行扫描光栅示意图 我国模拟电视