【2017年整理】数字媒体处理技术与应用第2章

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1、第2章 模拟视频信号和 模拟电视技术,2.1 彩色与人眼视觉系统特性 2.2 电视图像的传像原理 2.3 彩色电视信号的传输 2.4 模拟地面电视广播,2.1.1 光的性质 光是一种电磁辐射。定义波长在380780nm范围内的电磁波为可见光，可见光谱的波长由高向低变化时。人眼产生的颜色感觉依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。 物体分为发光体和不发光体。发光体的颜色由它本身发出的光谱所决定，不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的发射、投射特性有关。,2.1 彩色与人眼视觉系统特性,可见光：780nm380nm波长,2.1.2 人眼的视觉特性1、分辨力 分辨力是人眼在观看图像视频场景时对细

2、节的分辨能力。定义为：眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角 的倒数，即分辨率=1/。,分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度，同时人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力低。,大面积着色原理：在彩色电视系统中传送彩色图像时，只传送黑白图像细节，而不传送彩色稿高频分质量细节，可减少色度信号的带宽要求。2、视觉惰性 人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。 视觉惰性是设计电视系统的重要依据隔行扫描（既可克服大面积闪烁现象，代之以不易察觉的行间闪烁，又可以节省传输系统的频带宽度）。 临界闪烁频率：光脉冲不引起闪烁感觉的最低重复频率，人眼的临界闪

3、烁频率为46Hz。3、亮度灵敏度和韦伯定理 韦伯-费赫涅尔定理I：在相当大的亮度范围内，可察觉的最小亮度变化和背景亮度之间接近正比例关系。 韦伯-费赫涅尔定理II：人眼的感觉亮度和实际亮度的对数呈线性关系。,4、对比灵敏度特性 Weber定理：人眼的视觉响应主要依赖于相对背景亮度的局部亮度变化，而不是绝对亮度值。,由于图像由图像细节和轮廓组成，他们的不同会表现为频域频谱分布的不同，需要从空间频率、时间频率的角度分析对比灵敏度，并采用对比灵敏度函数CSF来表征。 人眼空域CSF函数曲线中，亮度分量曲线呈带通特性，人眼主要对中频分量敏感，色度分量曲线呈低通特性，红-绿通道和蓝-黄通道的特性基本相似

4、。 人眼的CSF函数还与测试条件有关，不同时间频率测得的空域对比灵敏度曲线和不同空间频率下测得的时间对比灵敏度曲线也各不相同。,5、视觉掩蔽效应 视觉掩蔽效应：在多个视觉激励存在的情况下，一个视觉激励的存在使另一个激励的可见阈值提升（或可见性降低）的现象。按照发生位置的不同，可分为空间域掩蔽和时间域掩蔽。 对比掩蔽是空间域掩蔽效应的主要表现形式。6、 平滑跟踪眼睛移动效应 平滑跟踪眼睛移动效应（SPEM)：当目标发生运动时，人们的眼球会跟踪运动目标。7、 视觉兴趣性 人眼在观察事物时，会对某些区域产生更多兴趣，这些区域称为“视觉感兴趣区域（ROI）”。,2.1.3 色学度 1、彩色三要素 彩色

5、三要素：亮度、色调、饱和度。其中，亮度反映光的明亮程度，色调反映彩色的类别，饱和度反映彩色光的深浅程度。 2、三基色原理 自然界绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色：红R、绿G、蓝B。 三基色光相混合得到的彩色光的亮度等于三种基色亮度之和。 当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色，如红色和青色。 3、亮度公式 为了节省传送带宽，同时也能实现黑白电视与彩色电视的兼容，不传送三基色信号，而是传送由线性变换来的亮度 信号Y及两个色彩信号CB、CR(或U、V）,亮度信号和色差信号,2.2 电视图像的传像原理,2.2.1、电视传像原理 扫描： 原理：传送电视图像时，将每幅图像分解成很多像素，按

6、照一个一个像素、一行一行的方式顺序传送或接收；1、逐行扫描 逐行扫描：电子束从图像上端开始，从左到右、从上到下以均匀速度按照顺序一行紧跟一行地扫完全帧画面的扫描方式。 要求：帧扫描周期是行扫描周期的整数倍。 2、隔行扫描 隔行扫描：一帧图像分为两场扫描，第一场扫描奇数行，第二场扫描偶数行。,扫描,逐行扫描,隔行扫描,2.2.2、电视图像的基本参数 1、图像宽高比 2、场频 为了不引起人眼的闪烁感觉，场频应高于48Hz，我国电视标准中，场频选为50Hz。 3、行数 每帧扫描行数Z一般取值在860570行之间，传统模拟电视扫描行数有625行和525行，我国标准为625行，但随着大屏幕的发展，行数也

7、在逐渐增大。,2.2.3、黑白全电视信号的组成 1、图像信号 CCD、CMOS图像传感器的每个像素输出波形只在一部分时间为图像信号，其余时间内复位电平和干扰。为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。一个像素信号取样后，用电容把信号保持下来，知道下一个取样像素信号。 图像信号电压的高低反映了实际景物的亮度。信号电平与图像亮度成反比的图像信号为负极性图像信号，反之，则称为正极性图像信号。 2、消隐信号和同步信号 摄像机在行、场扫描逆程发出消隐信号令电视接收机显像管电子束截止，消除显像管在行、场扫描逆程产生的回扫线。消隐信号分为行消隐信号和场消隐信号，合在一起称为复合消隐信号。,电视接收机要

8、想正确重现摄像机摄取的图像，必须接收机与摄像机扫描同步。要求摄像机在读出一行图像信号后，送出一个行的同步信号，接收机利用该信号控制本机的行扫描逆程起点。 3、黑白全电视信号 黑白全电视信号由图像信号、消隐信号和同步信号叠加而成。 全电视信号的幅度比例按标准规定是：同步信号电平为100%，黑电平与消隐信号为75%，白电平为10%-12.5%。图像信号介于白电平和黑电平之间，统称为灰色电平。,黑白全电视信号=黑白图像信号（行、场）复合消隐信号（行、场）复合同步信号,2.3 彩色电视信号的传输,2.3.1 彩色电视信号的兼容问题 1、信号选取 模拟电视做到黑白与彩色电视相兼容，就必须对光电传感器输出

9、的三基色进行处理，利用编码矩阵电路根据亮度公式编码产生一个亮度信号和两个色差信号。,用色差信号传送色度信号具有以下优点： 1、减少色度信号对亮度信号的干扰；2、能够实现亮度恒定原则；3、可节省色度信号的发射能量。,源于人眼对彩色细节分辨力差，在传送彩色图像时，只需传送大面积彩色图像配送亮度细节就可以了，没有必要传送彩色细节，称为大面积着色原理。按我国标准，亮度信号带宽06MHz，色度信号带宽01.3MHz。,2、 大面积着色,3、频谱交错,在06MHz频带内先选择一个频率，称为彩色副载波，用两个色差信号对彩色副载波进行调制，调制后的信号称为色度信号，将该信号与亮度信号、同步信号叠加产生彩色全电

10、视信号，再去调制图像载波，称为二次调制。 将色度信号的频谱插在亮度信号的频谱空隙中间，再用一个06MHz开款的通道同时传送亮度和色度信号的方法称为频谱交错或频谱间置。 选用副载频为半行频的奇数倍，即能将色度信号插在亮度信号频谱的空隙间。,2.3.2 NTSC制 1、正交平衡调幅 平衡调幅又称抑制载波调幅，可以抑制色度信号对亮度信号的干扰并节省发射功率。用一个乘法器将色差信号与载波相乘即可得到平衡调幅波。 平衡调幅波的特点：1、平衡调幅波不含载波分量；2、平衡调幅波极性由调制信号和载波极性共同决定；3、平衡调幅波的振幅只与调制信号的振幅成正比，与载波振幅无关；4、平衡调幅波的包络不是调制信号波形

11、，不能用包络检波方法解调。 模拟电视中对两个色差分量B-Y和R-Y进行正交平衡调幅，可得到色度信号F：,可以看出，色度信号是一个既调幅又调相的波形，其幅值传送了图像的色饱和度，相位传送了图像的色调。 色度信号F和亮度信号Y及同步、消隐信号等混合得到彩色全电视信号，也称为复合视频信号CVBS。,返回,2、副载波的半行频间置,精确选择副载波频率可减少亮度和色度信号在同一个频带内传送时产生的相互串扰，NTSC制副载波频率选择为半行频的倍数，通常称为半行频间置。 选择副载波频率考虑原则：1、副载波频率尽量选择在视频频带高端；2、色度信号频带上边带不应超过视频信号6MHz。3、色同步信号 因为色度信号采

12、用了抑制副载波的平衡调幅，所以接收机解调色度信号时要用同步检波器恢复被抑制掉的副载波。为了保证恢复的副载波与发送端被抑制掉的副载波同频、同相位，需有发射台发送色同步信号作为接收机恢复副载波的频率和相位基准。,4、NTSC制主要特点 NTSC的主要优点：色度信号的组成方式最简单，因而解码电路简单，易于集成化；其次亮度信号与色度信号频谱以最大间距错开，亮色串扰小，故兼容性好。 NTSC的主要缺点：对色度信号相位失真敏感，即色度信号的相位失真易容产生图像色调畸变。,2.3.3 PAL制1、逐行倒相 PAL制又称逐行倒相制，我国模拟电视采用PAL制。色度信号数学表达式为,色度信号中Fv分量进行逐行倒置

13、，正负号表示：第n行（NTSC行)取正号，通常用矢量Fn表示，第n+1行（PAL行）取负号，用Fn+1示。,2、相位失真的互补 PAL制中将色度信号的Fv分量逐行倒置，可以时相邻两行的相位失真互补，减少色调畸变。3、副载波频率的选择,其中25Hz偏置是为了消除副载波光点干扰。4、色同步信号 功能：1、给接收机恢复副载波提供一个基准频率和相位；2、给接收机提供一个极性切换信息，识别NTSC行和PAL行。 同NTSC制相比，PAL制色同步信号中副载波是逐行倒相的，即NTSC行为+135度，PAL行为-135度，而NTSC制色同步信号中副载波相位为-180度。5、PAL编码器 PAL编码器在摄像机中

14、将三个基色信号编码成彩色全电视信号。,6、PAL解码器 步骤：1、亮度信号和色度信号的分离； 2、色同步信号和色度信号的分离； 3、色度信号的两个分量Fu、Fv的分离； 4、同步检波将Fu、Fv分量解调为U、V信号； 5、解码矩阵将Y、U、V信号还原为三基色信号。 PAL制优点：对相位失真不敏感。 缺点：梳状滤波器中的相延时误差极易引起大面积行蠕动现象。,2.4.1 广播电视系统 广播电视系统有电视中心（播控设备）、发射、接收三个部分组成。 1、电视中心 电视中心的主要任务是完成电视信号的提取，加工并制作电视节目。 电视中心具有节目制作和节目播出两大内容。,2.4 模拟地面电视广播,2、电视中

15、心设备 包括图像信号源、脉冲信号源、监测设备等。3、发射台 主要包括电视图像发射机、发射天线等，主要作用：将中心台送来的图像和伴音通过无线电波发射出去。,4、接收设备 通常指电视接收机，电视广播占用的频段是米波和分米波，频率为48.5960MHz，在该范围内电波以空间波形式传播，大体有四种方式：直线传播，绕射传播，对流层传播，电离层传播，其中直线传播最为稳定，我国模拟地面广播电视就采用此种方式进行中继接力传输。2.4.2 射频电视信号 1、射频电视信号 图像信号采用调幅方式，伴音信号采用调频方式，调制后的图像信号和伴音信号统称射频电视信号。 2、电视频道的划分 我国电视频道在甚高频（VHF)段有12个频道，特高频（UHF）有56个频道。2.4.3 地面广播电视接收机 模拟地面广播电视接收机由高频调谐器、中放检波、伴音通道、PAL解码,