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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
