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1、第第2章章彩色电视原理彩色电视原理2.2、兼容彩色电视的基本特征一、兼容的必备条件二、实现兼容的基本措施1、信号选取2、恒定亮度原理三、彩色电视信号的频带压缩三、彩色电视信号的频带压缩1、大面积着色原理2、高频混合原理3.频谱交错原理频谱交错原理四、彩色电视的制式2.2彩色电视信号的兼容问题彩色电视信号的兼容问题彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的， 彩色电视出现以前黑白电视已经相当普及， 到目前为止， 仍有不少的黑白电视机还在使用。 为了普及电视广播、 减少国家和千千万万电视用户不必要的损失， 彩色电视应该与黑白电视兼容。 所谓兼容， 就是黑白电视接收机既能接收彩色电视信号， 也能重现黑白
2、电视信号； 彩色电视接收机既能接收黑白电视信号， 也能重现黑白电视信号。 要做到黑白、彩色电视互相兼容，必须满足下列基本的要求：(1)在彩色电视的图像信号中，要有代表图像亮度的亮度信号和代表图像色彩的色度信号。黑白电视机接收彩色节目时，只要将亮度信号取出，就可显示出黑白图像。彩色电视接收机应具有亮度通道和色度通道，当接收彩色节目时，亮度通道和色度通道都工作，重现彩色图像；当接收黑白节目时，色度通道自动关闭，亮度通道相当于黑白电视机，可显示出黑白图像，这样就做到了兼容。一、兼容的必备条件(2)彩色电视只能占有与黑白电视相同的视频带宽和射频带宽，这就要求彩色电视能将色度信号安插到6MHz的视频带宽
3、中去，采用的方法是频带压缩、频谱交错等方法。(3)彩色电视应与黑白电视有相同的图像载频、伴音载频以及两者之间的间距。(4)彩色电视与黑白电视的行、场扫描频率和行、场同步信号的各项标准等都应相同。目前世界上彩色电视制式有NTSC制、PAL制和SECAM制三种，它们都具有兼容性。其中，实现兼容最根本的条件是彩色电视必须以和黑白电视相同的带宽传送亮度信号和色度信号。当fv=50Hz,Z=625行时，黑白电视图像信号（即亮度信号）约占6MHz带宽。因此必须在6MHz的带宽内同时传送亮度信号和色度信号，否则就无法实现兼容。人们通过对人眼视觉特性的，充分地应用色度学原理与电子电路技术的成就，采用恒亮传输方
4、式和彩色电视信号的频带压缩措施，解决了在6MHz带宽内同时传送亮度信号和色度信号的，问题成功地实现了彩色电视与黑白电视的兼容。1、信号选取彩色电视为了与黑白电视兼容，必须传送一个亮度信号，以便黑白电视机接收。根据彩色具有亮度、色调和饱和亮度三个要素的理论，传送彩色图象必须选用三个独立的信号。除了亮度信号外，还必须选择另两个信号来代表彩色的色度信息。这两个信号与色调和饱和度之间应存在确定的相互变换关系。例如用x、y坐标值。但是，彩色电视中常用两个色差信号BY和RY来代表色度信息，必须对由CCD光电传感器输出的R、G、B三个基色信号进行处理。首先用一个编码矩阵电路根据Y=0.30R+0.59G+0
5、.11B的亮度公式编出一个亮度信号和R-Y、B-Y两个色差信号。色差信号是基色信号R、G、B与亮度信号Y之差：二、实现兼容的基本措施二、实现兼容的基本措施 R-Y=R-(0.30R+0.59G+0.11B)=0.70R-0.59G-0.11BG-Y=G-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R+0.41G-0.11BB-Y=B-(0.30R+0.59G+0.11B)=-0.30R-0.59G+0.89B三个色差信号中只有两个是独立的，第三个可以由另外两个得到，只要选择两个色差信号就可以代表色度信号。将Y=0.30R+0.59G+0.11B改写为如下形式：0.30Y+0.59Y+0.
6、11Y=0.30R+0.59G+0.11B得到0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0可以化为三大制式均选用R-Y和B-Y作为色差信号的原因是：(1)三个色差信号中，G-Y信号数值最小，作传输信号时信噪比最低。(2)由R-Y和B-Y求G-Y时，系数和小于1，可用电阻矩阵实现；由B-Y、G-Y求R-Y或用R-Y、G-Y求B-Y，系数都大于1，不能用电阻分压来实现，一定要用放大器提供增益，这样会增加系统的复杂性和带来不必要的失真。用色差信号传送色度信号具有以下优点：(1)可减少色度信号对亮度信号的干扰,当传送黑白图像时,R=G=B,两个色差信号R-Y和B-Y均为零，不会对亮度
7、信号产生干扰。(2)能够实现亮度恒定原理，即重现图像的亮度只由传送亮度信息的亮度信号决定。(3)可节省色度信号的发射功率。在彩色图像中大部分像素接近于白色或灰色，它们的色差信号为零，小部分彩色像素才有色差信号，因此发射色差信号比发射R、G、B信号需要的发射功率小。2、恒定亮度原理 在不计失真及传输系统非线性的条件下，色差信号受到干扰时，将不会影响亮度信号。传送后的电视信号： Yt、(R-Y)t、(B-Y)t，显示端的信号为：Rd=(R-Y)t +Yt Bd=(B-Y)t+Yt Gd=-0.5(R-Y)t -0.19(B-Y)t +Yt所以显示的亮度为Yd为： Yd=0.3Rd+0.59Gd+0
8、.11Bd=Yt对于黑白电视机而言，由于接收彩色信号时会产生亮度误差，只有接收黑白图像时，亮度误差才为零。 黑白电视机收到这种彩色电视信号后，色度对正常黑白图象的干扰和影响很小，故黑白电视机显象管上只产生与亮度信号成比例的正常的黑白图像。彩色电视机收到这种彩色电视信号后，先变换成上述三种信号，即Yt、(R-Y)t、(B-Y)t，再经解码矩阵按公式还原成Rd、Bd 、Gd三基色信号。还原出的R、G、B信号加到彩色显象管三个阴极（或者栅极）上，使荧光屏上重现出正确的彩色图像。采用亮度信号和两个色差信号作彩色电视传输信号的方式，称为恒亮传输方式。它有利于恒定亮度原理的实现，这是一个关键性的突破；它有
9、利于彩色电视和黑白电视的兼容，这是彩色电视研究成功的重要技术之一。三、彩色电视信号的频带压缩 用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼容是有利的；但是亮度信号和两个色差信号带宽之和仍是黑白电视信号带宽的3倍。为了兼容，必须对由它们组成的彩色电视信号的频带进行压缩。利用高频混合原理与频谱交错原理，成功地将彩色电视信号的带宽压缩到与黑白电视信号的带宽相同。 1、大面积着色原理黑 白黑 绿黑 红绿 红黑 蓝红 蓝绿 蓝100949040262319细节色别 通过实验发现，人眼对黑白图像的细节有较高的分辨力，而对彩色图像的细节分辨力较
10、低， 例如，人眼对不同色调的细节分辨力，在同样亮度下，人们对绿色细节的分辨力较强，而对红、蓝色细节的分辨力较弱。 如果人眼对黑白细节的分辨力定为100，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨能力如右表所示。从表中数据可知，人眼对彩色细节的分辨力是很差的。 这即所谓的“彩色细节失明” 当重现彩色图像时，对着色面积较大的各种颜色，全部显示其色度可以丰富图像内容，而对彩色的细节部分，彩色电视可不必显示出色度的区别，因为人眼已不能辨认它们之间色度的区别了，只能感觉到它们之间的亮度不同。 那么在传送彩色图像时，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度信息。而彩色的细节部分，则可以用亮度信息来
11、取代，例如红色：这样在接收端所恢复的三个基色信号是：R=(R-Y)01.3+Y06=R01.3+Y1.36G=(G-Y)01.3+Y06=G01.3+Y1.36B=(B-Y)01.3+Y06=B01.3+Y1.36最后重现彩色的三个基色信号在01.3MHz频率范围内含有彩色分量，在1.36MHz频率范围内只有亮度信号分量。综上所述可得出个重要结论：色度信号只需要在图象的大面积部分进行传送，在图象的细节部分只需传送亮度信号，不必传送色度信号，这就是大面积着色原理。根据这一原理，可用全部视频带宽（例如06MHz），传送亮度信号Y，以保证清晰度；可用较窄的频带（例如01.3MHz）传送两个色差信号（
12、RY），以进行大面积着色。2、高频混合原理： 人们都有这样的生活经验，在黑白照片上，用笔粗略地涂上不同的颜色，就成了彩色照片。画一幅水彩画时，总是先用墨笔描绘出清晰的轮廓，然后用彩笔进行大面积涂色，整个画面就会给人们以细节清晰、彩色鲜艳、生活逼真的印象。大量的事例说明，人眼对彩色细节的分辨力远低于对黑白细节的分辨力。经测定人眼对亮度细节的分辨力极限值为11.5，对彩色细节的分辨力极限值为610。也就是说，人眼较容易辨别出彩色图像细节部分的明暗程度，而不容易辨出细节的颜色差别。 在彩色图像传送过程中，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时还必须传送其色度成分。颜色的细节部分（对应于信号的高频部
13、分），可以用亮度信号来取代。 由上式可知，接收端所恢复的三基色信号只含有较低的频率分量（01.3MHz），而它们的高频部分（1.36MHz），则用同一亮度信号的高频部分来补充。这就是高频混合原理。它是1950年首先由美国A.Bedford提出的。利用这一原理，既节省了频带，又减轻了亮度信号和色度信号共用频带而产生的相互干扰。 R=(R-Y)01.3+Y06=R01.3+Y1.36G=(G-Y)01.3+Y06=G01.3+Y1.36B=(B-Y)01.3+Y06=B01.3+Y1.363.频谱交错原理 采用恒亮传输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8.6MHzY为6MHz，（BY）和
14、（RY）各为1.3MHz，它还是大于黑白电视信号的带宽。为了兼宽，还需要进行频带压缩。 彩色电视和黑白电视采用相同的带宽， 用三基色信号形成亮度信号和两个色差信号后， 都放在06 MHz的频带内用一个通道传送。 黑白电视的亮度信号虽然占据了6MHz的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围内，在附近并没有亮度信息。 在06 MHz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。 将得到的色度信号与亮度信号、 同步信号叠加为彩色全电视信号， 再去调制图像载波， 称为二次调制。 二次调制后的射频信号经功率放大后发射出去
15、。3.频谱交错原理亮度信号频谱图像信号的频谱待征以行频及其谐波为中心，形成梳齿状的离散频谱。随着行频谐波次数的增高，谱线幅度逐渐减小。这说明黑白图像信号的主要能量分布在视频信号的低频端。无论是静止或活动图像，行频主谱线两旁的副谱线谐波次数不大于20,各群谱线间存在着很大的空隙。各辅助信号也都是小于6MHz的离散谱。全电视信号具有在06MHz范围内、离散分布的频谱结构。亮度信号的频谱大致为以行频为间隔的一簇簇谱线群，但图像的变化不是非常激烈时，各谱线群间有较大的空隙。能量主要分布在以行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内。 电视信号占有06MHz的频带宽度，比音频信号的带宽（20Hz20kHz）
16、大得多。虽然电视图像内容千差万别，但在06MHz的带宽内，电视信号的频谱却有着共同特点。这是因为，电视图像是按扫描行进行分解和复合的，又是按帧（或场）频重复的，而行、场扫描又具有严格的周期性，因此虽然电视图像内容是随机的，但电视信号却具有一定的周期性。这种周期性既表现为行周期性，又表现为场周期性。于是可以用分析非正弦周期性函数的方法来分析电视信号。通过傅立叶变换可知，在隔行扫描情况下，对于垂直方向有细节变化的静止图像，其频谱成分为 其幅频特性图下页示 由图可见，电视信号的频谱有很强的规律性。整个频谱由很多谱线簇组成，谱线簇之间有很大的空白区。每个谱线簇都以行频 或行频的整数倍 为中心，两边分布
17、有帧频 及其各次谐波分量 ，当然，这中间也包括了场频 及其各次谐波分量。通常将行频的整数倍 称为主谱线，主谱线两则的 称为副谱线或旁谱线。主谱线之间的间隔为行频 ，副谱线之间的间隔为帧频 。 垂直方向有细节变化的静止图象信号频谱 图亮度信号频谱图(a)以行频为间隔的谱线群；(b)每一谱线群结构 静止图像的这种谱线簇结构可解释如下：由于是静止图像，每幅画面的内容都一样，但在一场中，信号的幅度是不同的，灰色部分幅度小，白色部分幅度大，其幅度的变化周期是场频。这就相当于行频脉冲的幅度受到一个场频信号的调幅，使行频频谱上产生出场频及其谐波的边带波。这就造成了以行频及其各次谐波为中心、以场频及其各次谐波
18、为上下边带的谱线簇结构。另外，由于是隔行扫描，对于垂直方向上有细节变化的图像来说，两场内容会略有差异，图像信号实际上是以帧频重复的，因此在图中，每个 两侧的副谱线以帧频 为间隔。但因图像内容的相关性很强，故两场信号的差异一般很小，于是只在 及其奇次谐波上产生很小的信号能量，而大部分能量仍在 的偶次谐波上（即场频及其各次谐波上）。 从整个频谱来看， 越大，主谱线幅度越低，说明高频信号（对应图像的细节部分）的能量较小。另外，副谱线的幅度也随 的增大而迅速降低，所以总的谱线相对集中在主谱线附近。因为相邻行图像信号相关性很强和采用周期性扫描，所以黑白电视信号(亮度信号)的频谱结构是线状离散谱。亮度信号
19、虽然占据了06MHz的频带宽度，但并未占满整个6MHz的带宽。亮度信号的能量只集中在行频fH及其谐波nfH附近很窄的范围内，随谐波次数的升高，能量逐渐下降。在(n-1/2)fH附近没有亮度信号能量，留有较大的空隙，如图所示。图nfH附近的一族谱线放大，可以看出在行频主谱线两侧有以帧频、场频为间隔的副谱线。当图像活动加快时，各副谱线之间的空隙被填满，但在(n-1/2)fH附近仍有较大的空隙，慢变化的图像频谱空隙达93%，较快变化的图像频谱空隙仍有46%，所以可以将色度信号的频谱插在亮度信号的频谱空隙中间，用一个6MHz带宽的通道同时传送亮度信号和色度信号，这种方法称为频谱交错或频谱间置。3.频谱
20、交错原理频谱交错原理亮度信号的频谱具有间隙很大的梳齿状特征将色度信号的频谱移动半行频（fH/2）的奇数倍，使色度信号的频谱与亮度信号的频谱错开图频谱交错(a)色差信号频谱；(b)色度信号频谱；(c)频谱交错色差信号有与亮度信号相同的频谱结构，压缩后占据较窄的频带，如图（a）所示。其表现也是以行频为间隔的谱线群结构。根据副载波平衡调幅形成的色度信号也发生了频谱迁移，各谱线群出现在fSCnfH处，如图3-2（b）所示。只要选用副载频为半行频的奇数倍，即fSC=(n-1/2)fH，就能将色度信号正好插在亮度信号频谱的空隙间，如图3-2（c）所示。彩色副载波放在6MHz频带的高端以减少彩色干扰和亮度窜
21、色，因为干扰花纹的显眼程度与干扰信号的频率有关，如果色度信号放在低端，干扰显示为粗线条的花纹，十分显眼，而色度信号放在高端，干扰花纹极其细密，不易被人察觉。亮度信号在高频端幅度很小，色度信号放在高端可以减少亮度信号对色度信号的干扰。四、彩色电视的制式四、彩色电视的制式1 简介 目前世界上现行的彩色电视制式有三种：NTSC制、PAL制和SECAM制。这里不包括高清晰度彩色电视HDTV (High-Definition television)。数字彩色电视是从模拟彩色电视基础上发展而来的，因此在多媒体技术中经常会碰到这些术语。 NTSC(National Television Systems Co
22、mmittee)彩色电视制是1952年美国国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准，称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家，以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种制式。 由于NTSC制存在相位敏感造成彩色失真的缺点，因此德国(当时的西德)于1962年制定了PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准，称为逐行倒相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家，以及中国、朝鲜等国家采用这种制式。 法国制定了SECAM (法文：Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标准，称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用
23、这种制式。世界上约有65个地区和国家试验这种制式。资料资料恒定亮度原理推导恒定亮度原理推导证明证明1：任一彩色光中的亮度只由Y携带，与R-Y、 B-Y无关，即 R-Y、B-Y信号 中无亮度。这里因传输的三个信号，可看成是传输三基色，对任一彩色可写成方程式为：FYY+(R-Y)R-Y+(B-Y)B-Y （1）用显像三基色表示时，可写成：FR(R)+G(G)+B(B) （2）由于Y0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y) R-Y=0.7R-0.59G-0.11B （3）B-Y=-0.3R-0.59G+0.89BG-Y-0.3R+0.41G-0.11B （4）将(2)、(3)和(4)
24、式分别代入(1)式，得到： F(0.3R+0.59G+0.11B)Y+(0.7R-0.59G-0.11B)R-Y+(-0.3R-0.59G+0.89B)B-Y0.3RY+0.59GY+0.11BY+0.7RR-Y-0.59GR-Y- 0.11BR-Y -0.3RB-Y-0.59GB-Y+0.89BB-Y （5）联立式（2）和（5），可得： (R)0.3Y+0.7R-Y-0.3B-Y (G)0.59Y-0.59R-Y-0.59B-Y （6）(B)0.11Y-0.11R-Y+0.89B-Y将式（6）求逆矩阵，可得：Y= (R)+(G)+(B)R-Y=(R)-0.3(G)+0.59(B) （7）B-
25、Y=(R)-0.11(G)+0.59(B)由课文中已知：(R)0.61(X)+0.3(Y)+0.00(Z)(G)0.17(X)+0.59(Y)+0.07(Z) （8）(B)0.20(X)+0.11(Y)+1.11(Z)将式(8)代入式(7)后，可得： Y 0.98(X)+1.00(Y)+1.18(Z)R-Y0.52(X) -0.04(Z) （9）B-Y0.17(X） +1.11(Z)由式（9）可见，在XYZ坐标系中，只有(Y)提供亮度，即三基色信号中只有(Y)的系数不为零，而R-Y、B-Y中(Y)的系数都等于零，说明不含亮度。因此，说明图像的亮度只由亮度信号提供。证明证明2：色差信号受干扰混入杂波时，不影响信号的亮度。设发送端传送的信号为亮度为Y，色差信号R-Y、B-Y，传输中Y不受影响。而色差信号受杂波干扰变为，.接收端解调后经解码矩阵输出的三基色信号为：RYGYYBY重现的亮度为：0.3R+0.59G+0.11B0.3+0.3Y-0.3-0.11+0.59Y+0.110.11YY即重现的亮度即为原亮度。说明尽管色差信号在传输过程中混入载波受到干扰，不影响重现的亮度。Y=Yd
