黑白到彩色,兼容？

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1、兼容的必备条件 (1) 所传送的彩色电视信号中应有亮度信号和色度信号两部分。亮度信号包含了彩色图像的 亮度信息，它与黑白电视机的图像信号一样，能使黑白电视机接收并显示出无彩色的黑白画 面；色度信号包含了彩色图像的色调与饱和度等信息，被彩色电视机接收后，与亮度信号一 起经过处理后显示出彩色画面。另外，彩色电视机接收到黑白电视信号后，也能显示出与黑 白电视机基本相同的图像。 (2) 彩色电视信号通道的频率特性应与黑白电视通道频率特性基本一致。应该有相同的频带 宽度、图像载频和伴音载频。图像和伴音的调制方式应黑白电视系统相同，且频道间隔相同 (8MHz)。 (3) 彩色电视与黑白电视应有相同的扫描方

2、式及扫描频率，相同的辅助信号及参数。 (4) 应尽可能地减小黑白电视机收看彩色节目时所受到（彩色信号的）干扰，以及彩色电视 中色度信号对亮度信号的干扰。 在以上各条中，要实现扫描方式和扫描频率一致、具有相同的图像及伴音载频相对较容易。 困难的是如何形成亮度与色度信号；如何保证彩色与黑白电视具有相同的频带宽度，并尽可 能地在减少干扰的情况下传送这些信号。要实现彩色电视与黑白电视的相互兼容性，彩色电视信号必须是由亮度信号和色度信号两部 分组成，其中亮度信号表示被扫描像素亮度变化，能使黑白电视机呈现黑白图像；而色度信 号表示被扫描像素的色度变化，它在彩色电视中配合亮度信号呈现彩色图像。彩色电视接收

3、机电路应将视频通道分为亮度通道和色度通道两部分，当接收彩色电视信号时，两个通道都 工作，呈现彩色图像；当接收黑白电视信号时，色度通道自动关闭，亮度通道工作，呈现黑 白图像。另外，为实现兼容，彩色电视应保留黑白电视原有的各项指标。如采用隔行扫描方 式和相同的帧频、场频和行频；采用同样的行、场同步信号；具有与黑白电视相同的伴音载 频和图像载频；彩色电视信号占用和黑白电视信号相同频带，即视频带宽 6MHz，射频带宽 8MHz。 下面介绍如何解决这些兼容的难题以实现黑白、彩色电视的兼容。1、色度信号的编码彩色信号是专供彩色电视机着色之用，而不影响或轻微影响黑白电视机，并且彩色信号不再 另占 6MHz

4、以外的频带。黑白电视信号实际上是图像的亮度信号，其带宽为 6MHz。而彩色电视系统中的三基色信号 带宽也是 6MHz。这是因为彩色电视系统必须采用与黑白电视系统相同的扫描参数，且图像 水平方向的亮度细节也必然反映到彩色系统分光后的红、绿、蓝三幅图像像中。但是如果彩 色电视系统直接传送 R、G、B 三路基色信号，则不仅黑白电视系统无法接收，就是对于彩色 电视系统来说，信号带宽也太宽了。因此，必须将 R、G、B 三路信号转换成另外三路信号。 为了与黑白电视系统兼容，新的信号中必须有一个反映图像亮度的信号，以供黑白电视机接 收。对于另外两路信号，则必须将它们合并成一路，且共享 6MHz 频带。那么，

5、这另外两路 信号对黑白电视机来说是多余的，它们与亮度信号合并势必造成对黑白电视机图像亮度的干 扰。同时，对彩色电视系统而言，必须考虑到接收端能够将这三路信号分开，然后再还原成 R、G、B 三路基色信号。在新的三路信号中，有一路信号必须是亮度信号，用 Y 表示。亮度信号 Y 与三基色信号 R、G、B 的关系就是亮度公式，即 Y=0.30R+0.59G+0.11B。另外两路信号在三种彩色电视制 式中采用的都是 BY 和 RY，称为色差信号。其中 RY 称为红差信号，BY 称为蓝差信 号。取色差信号作为所传输的信号不仅因为它们与 R、G、B 三基色信号之间的转换关系简单 线性，而且，当传送黑白图像时

6、，色差信号的幅度为零。这是因为当图像为黑白图像时，必 然有 R=G=B，这时 Y=0.30R+0.59G+0.11B=R=G=B，故 BY=0，RY=0。当 Y、BY、RY 一 旦确定，则 GY 就不再独立了，即 GY 可由 BY 和 RY 的运算得到。它们与三基色信号 的关系为：Y=0.30R+0.59G+0.11BBY=B(0.30R+0.59G+0.11B)= 0.30R 0.59G+0.89BRY=R(0.30R+0.59G+0.11B)= 0.70R 0.59G 0.11B完成上述信号转换的电路称为编码矩阵，而上面的三个关系式则称为编码矩阵方程式。对彩色电视系统而言，在摄像端将信号

7、R、G、B 转换成 Y、BY、RY 信号（即编码） ，在 显像端则相反，需要将 Y、BY、RY 信号反变换成 R、G、B 信号（即解码） 。解码矩阵方 程为：R=(RY)+YG=(GY)+YB=(BY)+Y其中，GY 需要根据 BY 和 RY 运算得到。由亮度方程可得：0.30R+0.59G+0.11B Y =0或写成0.30(RY)+0.59(GY)+0.11(B Y)=0故有该式称为 GY 矩阵方程式。于是彩色电视系统的信号变换可用图 116 表示。由于对于任何一种彩色，我们都可以看作是白光与不含任何白光的色光组成，即任何一种彩 色 F，我们都可以看作是 F 白+F 色，其中对 F 白，有

8、三色系数 R 白=G 白=B 白，于是彩色 F的三色系数分别为：Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.30(R 色+R 白)+0.59(G 色+G 白)+0.11(B 色+B 白)=(0.30 R 色+0.59 G 色+0.11 B 色)+(0.30 R 白+0.59 G 白+0.11 B 白)=Y 色+Y 白且 Y 白=R 白=G 白=B 白则相应的色差信号为RY=( R 色+R 白)(Y 色+Y 白)= R 色Y 色BY=( B 色+B 白)(Y 色+Y 白)= B 色Y 色可见，色差信号只取决于彩色 F 中的色光，而与彩色中的白光没有关系。而一个彩色的色度 取决于该彩色中所含的色光

9、，故色差信号反映了图像彩色中的色光信息，即反映了图像的色 度信息。2、频带压缩本来，由于 R、G、B 三路基色信号的带宽为 6MHz，亮度信号的带宽也为 6MHz，故色差信号 的带宽也即 6MHz。但是，由于人眼对亮度细节的分辨力高，而对色度细节的分辨力低，而 色度细节将反映在色差信号的高频分量上，故我们无需让色差信号保留 6MHz 的带宽，而可 以对色差信号的频带进行压缩。至于将色差信号的频带压缩到多少合适，则是根据电视实验 决定的。实验结果表明，色差信号的带宽应在 11.5MHz 之间比较合适。在我国采用的 PAL 制中，取色差信号的带宽为 1.3MHz。现在，由于代表图像色度的色差信号带

10、宽只有 1.3MHz，故重现图像不会再现出很细密的色 度细节。但是由于亮度信号的带宽高达 6MHz，故重现图像可以再现很细密的亮度细节。所 以，重现图像是由亮度细节和大面积粗线条的彩色相结合而成的。这样，解码矩阵的输出我 们可以写成：R=(RY)01.3MHz+Y06MHz=R01.3MHz+Y1.36MHzG=(GY)01.3MHz+Y06MHz=G01.3MHz+Y1.36MHzB=(BY)01.3MHz+Y06MHz=B01.3MHz+Y1.36MHz显像端三基色信号的前一项表示低频成分的色光，而后一项则表示高频成分的白光。3、频谱间置现在，要将带宽只有 1.3MHz 的两路色差信号与亮

11、度信号合并成一路彩色电视信号，且依然 只允许占用 6MHz 的频带。一般，亮度信号的低频端能量大，高频端能量小，故我们希望将 色差信号的频谱搬移到视频高端，并且，由于亮度信号与色差信号的频谱结构相同，我们就 可以设法将色差信号的频谱搬移到亮度信号频谱的空隙中，使得亮、色信号的频谱能够错开， 然后再与亮度信号叠加。这样，彩色电视机就可以根据亮、色信号的频谱不同而将它们分离 开来。由于在亮度信号上叠加有色度信号，对于黑白电视机来说，这种叠加在亮度信号上的 色度信号必然对图像亮度构成干扰。不过，由于色度信号处于视频高端，故这种干扰表现为 细密的亮暗光点，越细密，人眼就越不容易察觉。要将色差信号的频谱

12、搬移到视频高端，具体的方法就是调制，即将色差信号调制在一个载波 频率上。其已调波称为色度信号。由于在将彩色电视信号进行射频发送时还要用到一个载波， 所以，此处的载波称为色度付载波。还有一个问题，那就是如果将色度信号与亮度信号叠加，将使信号的动态范围（最大电平和 最小电平之间的范围）超过亮度信号的动态范围，即信号的动态范围将变得太大了，远远超 过了黑白电视信号的动态范围，不能满足黑白电视系统的兼容要求。为此，需要将色度信号 的幅度进行压缩。但是如果将色度信号的幅度压缩过甚，则色度信号幅度将过小，其信噪比 将下降，故压缩量要合适。为尽可能使压缩过的色度信号幅度不至于有不必要的衰减，电视 技术中分别

13、将色差信号乘以一个小于 1 的系数。即令U=k1(BY) V=k2(RY)其中，压缩系数 k1、k2 的取值由电视实验来确定。电视技术中取 k1=0.493，k2=0.877。将 色差信号的幅度压缩后，再将其对色付载波进行调制，以形成色度信号，与亮度信号叠加后， 信号的动态范围将由原来的亮度信号的 01 的动态范围扩展到彩色电视信号的1.33+1.33 的动态范围。虽然依然超过了亮度信号的动态范围，但实践表明，黑白电视系统可以承受。当然，色差信号与亮度信号的幅度比值不能被任意改变，否则彩色电视机中就不可能从解码 矩阵中得到正确的三基色信号了。故接收端需对所接收到的 U、V 信号进行反处理，即将 U、V 信号分别除以 k1 和 k2，即 BY=U/k1，RY=V/k2。这称为幅度去压缩。