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1、 第二章 光电转换与电视信号电影:电影和电视的相同点都是 用来显示活动图象,它是根据 人眼的视觉惰性,在一秒中内 连续放映24幅图象从而产生图 象活动的感觉。对电视系统来说,关键的问题是如何将景象或图象变成 电信号以及在接收端再复原成图象并且活动起来。为了便于 理解电视的基本原理,我们不妨从三个已成熟且较简单的事 物入手来分析,着就是电影、传真和无线电语音广播。 如上图,视觉暂留时间约0.1s,所以当f10帧/秒时,感觉出 活动感,但这时有跳动感,要实现连续感则f24帧/秒;这时图 象仍有闪烁感,为消除闪烁感,则需要f46帧/秒。结论:显示活动图象应有f24帧/秒。 传真:传真与电视的共同点都
2、是传送(静止 )图象和文字的。其传送过程是:将图象分 解成像素变成电信号通过机械扫描将像 素恢复合成图象。结论:传送图象通过传送像素来实现 。无线电广播:无线电广播与电视的共同点都是远距离传送电信号 ,其工作过程是将声音转换成电信号放大后调制载波发送 出去接收机收到电信号后通过信号处理还原成原来的声音 信号,即:声电声.结论:远距离传送电信号通过载波调制方式来实现 。受以上三方面启发,在电视发送端将图象分解成许 许多多的像素(约40万个)将亮度转换成电信号(图象 信号)载波调制发射信号接收处理像素合成;而且为 保证图象活动的连续性,f24帧/秒,这样在一秒钟内将有 2440万像素,只能采用电子
3、扫描的方式来进行。 2.1电视传像原理 2.1.1顺序传送原理 1. 图象的表示根据三基色原理,彩色光需要用三个基本参量来描述,即亮度 L(Lightness)、色调H(Hue)和饱和度S(Saturation),此外景物的形状需用空间坐 标x、y、z表示,并且若是活动图象还是时间t的函数,即L、H、S都是四维函 数,因此任何图象都可用下列方程组表示:L=fL(x,y,z,t)H=fH(x,y,z,t)S=fS(x,y,z,t) 若传送的是二维图象,则变为:L=fL(x,y,t)H=fH(x,y,t)S=fS(x,y,t) 讨论最简单的黑白图象,则只有亮度方程:L=fL(x,y,t)2.图像分
4、解与顺序传送方法:同时传送(并行)顺序传送(串行)实现顺序传送需 解决三个问题:(1)图像像 素电信号(2)电信号 图像(3)同步2.1.2图像摄取与重现 2.1.2.1图像摄取 光图像电信号 光电效应:光敏材料的电阻率随光照的强弱而不同 ,这种现象叫光电效应。利用光电效应即可实现光电 转换。 光电转换:利用光电效应将光图像转换为电信号的 过程。光电转换在摄像管中实现。 摄像管:由镜头、光敏靶、偏转系统和电子枪组成 ,具体结构如图。定义:与图象 像素亮度成比 例的电信号称 为图象信号。根据光电转换电路结构的不同,产生的图像信 号有两种:若信号电平与图像像素的亮度成正比 U(L)L或U(L) =
5、kL,这种图像信号称为正极性图像 信号;反之,如果信号电平的大小与图像的亮度成 反比 U(L) 1/L或U(L) =k/L,则这种图像信号称为负 极性图像信号。今后若不特别说明则指负极性信号 。 我国电视标准规定发射时采用负极性图像信号。2.2电视扫描原理如前所述,电视图像的摄取与重现是基于光和电的相互 转换,然而,把空间的光图像变成随时间变化的电信号,以及 把随时间变化的电信号再转换成一幅平面图像,则是通过电子 扫描完成的。下面以显像管为例介绍电视扫描的原理。按电子的运动规则可分为直线扫描和非直线扫描(如圆扫 描、螺旋扫描等。见天津大学编教材)。在电视系统中采用匀 速直线扫描方式。直线扫描按
6、扫描行的次序又分为逐行扫描和隔行扫描。2.2.1 逐行扫描 定义:一行挨一行的扫描方式称为逐行扫描。为使电子束作匀速直线扫描,在水平(行)与垂直(场)偏转线圈加 入的都是锯齿波电流,如下图。 A. iH 0 , iV = 0当只有行锯齿电流流过行偏转线圈时,电子束将在水平方向上受到偏转 力,产生水平方向的扫描,称为行扫描。这时在屏幕中间显示一条水平亮 线。电子束从左到右的扫描称为行扫描正程,用THt表示。电子束从右快速返回到左的扫描称为行扫描逆程,用THr表示。正程 用来显示图像,而逆程仅仅是为了返回左端开始下一行的重复扫描,故一般有THr THt ,来回扫描一行的时间称为一个行周期,用TH表
7、示, TH = THt + THr 。fH =1/TH B. iV 0 , iH = 0若只有场锯齿电流流过场偏转线圈时,电子束将在垂直方向上受到偏转力 ,产生垂直方向的扫描,称为场扫描。这时在屏幕中间显示一条垂直亮线。电子束从上到下的扫描称为场扫描正程,用T V t 表示。电子束从下快速返回顶端的扫描称为场扫描逆程,用T V r 表示。正程用 来显示图像,而逆程仅仅是为了返回顶端开始下一场的重复扫描,故一般有 T V r T V t来回扫描一场的时间称为一个场周期,用TV 表示, TV = T V r + T V t 。fV =1/ TV . C. iV 0 , iH 0,即同时加有行场扫描
8、电流。由于fH fV (即TH TV ),因此电子在作快速水平运动的同时还作垂 直方向运动,在屏幕上出现的是稍微倾斜的直线光栅。 可以想象,如果一场中扫描行数很多,则光栅的倾斜度就会减小,甚至 看不出倾斜,而被近似认为是水平直线光栅。D.为使图像清晰而均匀,在逆程期不传送信号,所采取的措施 是在逆程期使电子束截止,使之不显示光线(称消隐),因 此为获得有效光栅,必须使 TH r T H t ,T V r T V t 。一般规定: = TH r /TH , 称为行扫描逆程系数,一 般在18%左右; D. = T V r / T V , 称为场扫描逆程系数, 一般在8%左右。 E. 在逐行扫描方式
9、中,为保证光栅稳定清晰,应使每场的光栅 互相重叠,设扫描行数用Z表示,则TV =Z TH ,即为整数倍 关系,而且行数越多,图像越清晰,当行数足够多时,人眼 将分辨不出行结构,只能看到均匀发光的面。 2.2.2 隔行扫描逐行扫描解决了图像的顺序传送与接收,但为不产生闪烁感及保证清 晰,要求fV 46Hz,Z 500。这样出现的问题是图像信号的频带很宽,从 而造成设备复杂化,那么能否在既不引起闪烁又不导致清晰度下降的情况 下使频带减小呢?为此借用电影的显示原理,采用隔行扫描的方式,每秒 钟送25幅图像,每幅画面分两场扫描,这样人眼在主观感觉上与每秒出现 50幅图像相同。隔行扫描定义:将整个光栅分
10、奇偶行进行两次扫描,先 从上到下扫1、3、5、奇数行,形成奇次场;然后再从上 到下扫2、4、6、偶数行,形成偶次场,两场光栅互相嵌 套、均匀镶嵌,共同构成一幅完整的光栅,这种扫描方式叫 做隔行扫描。因为两场合在一起的总行数不变,故清晰度未 减,且送50场,也无闪烁感。 下面以7线光栅为例说明隔行扫描的原理和过程。1为简单,先假设行场逆程时间都为零。 如下所示,隔行扫描要求一帧的扫描行数为奇数行,这样才 能保证每场皆有半行,从而使两场光栅均匀镶嵌。隔 行 扫 描2行场逆程皆不为零,并设T V r = TH由图可见,当考虑到逆 程时间后: (1).第一场的结束和 第二场的起点并不在行 的中心(为什
11、么?) (2).场逆程占有一行 时间,因此每帧有两行 用于回扫,帧扫光栅只 有5行。 (3).每场都包含有半 行。综上所述,隔行扫描应满足的要求可归纳为两条: (1).对于每一帧,扫描的起点应相同,以保证各帧光栅的 重叠,这就要求每帧的扫描行数为整数。 (2).相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌,以获得最高清晰度 ,只有每场都包含半行才能做到这一点,因此每帧必须是奇 数行。故:Z= 2n +1隔行扫描存在的缺点 A行间闪烁效应:因为fV =50Hz, 而每一行的亮度却是按帧频重 复的,即每秒出现25次,低于临界闪烁频率,所以当我们观看较 亮的细线时,会有闪烁感。 B并行现象:在隔行扫描中,要求行场扫
12、描频率之间保持严格 关系,否则两场光栅不能均匀镶嵌,严重时甚至会重叠在一起, 这就是并行现象,它将使清晰度下降;另外对扫描电流幅度和线 性都有较高要求,否则都是引起并行现象的因素。 C. “锯齿化”现象:当物体的水平速度足够大时,物体垂直边缘因 隔行分场传输,会发生在相邻场光栅中左右错开的“锯齿化”现象 ,隔行越多,错开程度越严重。 实验研究表明,在扫描行数相同情况下,2:1隔行扫描的视在 垂直分解力相当于乘上一个隔行因子Ki(0.6.07)2.3 电视图像基本参量为获得高质量的图像,就应使重显图像的特征尽可能 与原图像一致,衡量电视图像的基本特征有以下几个方面:图像的几何特征图像的亮度与对比
13、度层次图像清晰度图像的连续性和无闪烁感(包括场间闪烁与行间闪烁)图像的色度根据对这些特征的要求,由此确定了电视系统的一系 列指标和标准,如扫描参数、频带、各种非线性失真系数 的确定.一、图像的几何特征所谓几何特征即图像各部分的比例关系是否合适,以及容许 的失真程度。.根据人眼的视觉特性,视觉最清楚的范围是垂直夹角15、 水平夹角20的一个矩形区域,由这一特点,目前各国电视接收机的 屏幕皆采用矩形,且宽高比K=4:3(宽高比称为电视屏幕的幅型比,一 般用K表示)。增大屏幕尺寸(大屏幕)和视角可以改善临场感和真实感。.收发两端的K应相同。矩形屏幕的大小常用对角线表示,如23cm、47cm、54cm
14、等, 若收发两端幅型比K不同,则重显图像就有可能失真(如压扁或拉长 等)。.扫描电流的非线性程度影响图像的几何相似性。由于直线 扫描应是匀速直线性,扫描线性不好将引起几何失真。通常采用棋 盘格信号进行测试,如下图。图(a)是行场线性良好时的标准 图案,图(b)表示因iH线性不好而 造成的畸变(开始扫描快,然后变 慢);图(c)表示因iV线性破坏而造 成的失真. 一般用扫描非线性系数来衡 量非线性畸变的程度,设没有畸 变时 =0,图像由许多大小相等的 方格组成;有非线性时, 0,将产 生大小不等的格子,为此作如下 定义: =(dmax-dmin)/(dmax+dmin)/2 =(hmax-hmi
15、n)/(hmax+hmin)/2 实验表明,当 100nit。对比度:图像最亮处的亮度Bmax与最暗处的亮度Bmin之比叫 做对比度,即对比度C=Bmax/Bmin,一般C能达到3040就很满意 了。对比度除了与电视本身有关外,还与观看条件有关,若有杂散 光线照射,则对比度C=(Bmax+B)/(Bmin+B),这时对比度就会下降 。因为图像由亮度不同的像素组成,对比度越大,从最亮到最暗 处能分辨的亮度级数就多,就越能看清图像层次,图像就越清晰和 逼真。三、清晰度与分解力.图像清晰度是指人眼主观感觉到的图像细节呈现的清晰程度,它与电视系 统传送图像细节的能力有关,这种能力称为分解力或分辨力。定
16、义:电视系统传送图像细节的能力,称为电视系统的分 解力。显然扫描行数越多,分解成的像素数就越多,图像细节就 呈现得越清楚,主观感觉到的清晰度就越高,因此可以说扫描 行数决定分解力。 像素数=行数行元数(一行内的像素数)故可以将分解力分为垂直分解力与水平分解力分别讨 论。1.垂直分解力 定义:沿图像垂直方向所能分解的像素数(或黑白相间的条纹数)。用M表示垂直分解力,可见它受行数限制,但MZ,因为分解图像时,并非每一行都有 效。它的含意有两个:a.在扫描逆程期内,被消隐的行数不分解图像,故有效行数为Z(1-)。b.由于像素与扫描线的相对位置不同,并非每一有效行都代表垂直分解力。 详见下图。图(a)示黑白条恰好与扫描线重合,相邻两行信号完全不同,重现图像保持原来 分辨率