电视图像转换原理与电视信号.ppt

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1、第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号第一章第一章 广播电视的基本知识广播电视的基本知识1.1 概述概述 1.2 电视图像转换组成与电子扫描电视图像转换组成与电子扫描 1.3 电视图像转换器件电视图像转换器件1.4 电视图像转换中的参量电视图像转换中的参量1.5 全电视信号全电视信号复习思考题复习思考题第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.1 概述概述 1.1.1 固定图像传送机理 字库提取程序如果用放大镜仔细观察报纸上刊登的传真照片, 就可以发现它们是由许多大小?不等、疏密不同的黑点子组成, 而且点子越小、 越密, 画面就越细腻、

2、清晰同样, 呈现在电视机屏幕上的图像也是由许多相互联系、彼此配合、亮度相同或不同的小单元组成, 这些构成电视图像的基本单元称为像素。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号实际上, 由于人眼视觉分辨力有一定的极限, 在正常观看距离下, 一幅电视图像大约有40万个像素时就可以使图像具有令人满意的清晰程度。由于图像是由像素构成的, 因此就可以通过传送组成它的像素来实现传送图像的目的。 为了解决像素的传送问题, 人们采用一种顺序传送的方法, 就是在发送端把图像中各个像素的亮度按一定的顺序变成相应的电信号, 并一个一个地传送出去, 而在接收端则按同样的顺序把电信号转变成一个一

3、个相应的亮点重现出来。 实践证明, 由于人眼的视觉惰性, 只要顺序传送的速度足够快, 就会在主观感觉上觉得所有像素同时发亮一样。 这种顺序传送法实质上就是按时间顺序传送空间分布的像素的亮度。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号将图像转变为顺序传送的电信号(图像的分解)或将顺序传送的电信号重新恢复成光图像(图像的复合)的过程称为扫描。 在扫描过程中, 像素的传送和恢复顺序是从左到右、从上到下一行一行地进行的。由于电视要传送活动图像, 即图像上各像素的亮度是随时间不断变化的, 所以必须在一秒钟内传送很多幅画面, 才会在电视荧屏上重现连续活动的图像。我国电视标准规定一秒

4、钟传送25幅画面, 这就是说电视系统必须具备每秒约1 000万个像素的扫描速度。 这样高的扫描速度, 只有采用电子扫描的方法才能实现。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.2 电视图像转换组成与电子电视图像转换组成与电子扫描扫描 1.2.1 电视系统基本组成图1-31.2.2 电子扫描如前所述, 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换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空间的光图像, 则是通过电子扫描来完成的。电视接收机是采用磁偏转的方式来控制显像管中电子束的扫描运动的, 即在器件外装置的偏转线圈中通以锯齿

5、电流, 使电子束受到电磁力的作用而偏转。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号为了使电子束顺序地扫过整个屏幕, 显像管的管颈上需要安装两对偏转线圈。一对是水平偏转线圈, 产生垂直磁场; 一对是垂直偏转线圈, 产生水平磁场。当它们分别通以不同频率的锯齿波电流时, 则电子束在垂直磁场作用下沿水平方向偏转, 即水平扫描; 电子束在水平磁场作用下沿垂直方向偏转, 即垂直扫描。电子束在两对偏转线圈产生的磁场共同作用下, 完成从左到右、从上到下的全屏幕扫描, 形成了矩形光栅。根据电影技术实践证明, 传送活动图像每秒至少应放映24幅瞬时拍摄的固定画面, 才会使人对放映后的图像获

6、得平稳的连续图像的感觉。 过低的幅频(每秒更迭的画面数)将使图像产生抖动感。在电视中将一幅画面称为一帧, 并规定每秒传送25帧(即帧频为25 Hz)。每帧图像分成625行传送, 这样每秒就传送了15 625行, 即行频为fH=15 625 Hz。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号电子扫描有逐行扫描和隔行扫描两种方式。 逐行扫描时, 因为扫描一帧需时间为1/25 s, 时间较长, 当电子束扫到一帧图像的某一像素时, 该像素当时发光较亮, 当电子束扫描过去后, 该像素开始变暗, 直到经过1/25 s后电子束又扫到该像素时, 于是又由最暗变到最亮。 这种状况在画面各

7、处均存在, 于是使人产生画面的闪烁效应。实践证明, 减少换帧时间, 把帧频提高到50Hz, 闪烁效应就可以消失。 但帧频如果由25Hz提高到50 Hz, 图像信号的最高频率亦即信号频带宽度将由约5.5 MHz提高到11MHz, 这是不允许的。目前在广播电视中, 普遍采用隔行扫描的方法来克服闪烁效应, 并保持信号频带宽度约为5.5MHz不变。 因此, 我们重点介绍隔行扫描原理。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号一、 扫描工作原理1.水平扫描工作原理在图1-3(a)中一对上下对称放置的偏转线圈(称为水平偏转线圈或行偏转线圈)中通入如图(b)所示的行扫描锯齿波电流。

8、 产生磁场的方向可用右手螺旋定则确定, 其磁场方向根据扫描电流正或负为向上或向下交变, 磁场强弱也随锯齿波电流大小相应改变。 电子枪发射的电子束在通过这个磁场时, 根据左手定则(电流方向与电子流方向相反)判定, 电子束将向右或向左偏移, 偏移量大小与流入偏转线圈中的电流大小或磁场强弱有关。 当偏转线圈中电流为零时, 电子束不产生偏转, 打在荧光屏中心。因此, 只要改变偏转电流的大小和方向, 就可以实现水平扫描。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-3 水平扫描工作原理第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图b)中, iH为行扫描

9、锯齿波电流; TH为行扫描周期; TSH为行扫描正程期, 在此期间, 电子束由屏幕左侧扫至右侧并显示亮线; TrH为行扫描逆程, 在此期间电子束迅速回扫至左侧(TrH TSH), 并且采取消隐措施不在屏幕上显示亮线。当偏转电流在a点时为最大负值, 此时电子束应射到荧光屏左边a1点处, 当偏转电流逐渐变化到b点时, 电子束偏移随着减小, 光点由a1点回到荧光屏中央b1点。 当偏转电流由b点向c点正向增加到最大正值时, 电子束向屏幕右侧偏移, 光点由b1点到达右边c1点, 电子束自左至右完成扫描正程。正程结束后, 扫描电流由最大正值c点很快地经d变到最大负值e点, 因此电子束很快地由荧光屏右侧c1

10、点经中央d1点折回到左边e1点。 则电子束完成自右至左的扫描逆程。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号假若电子束只有水平扫描而没有垂直扫描, 在荧光屏上将呈现一条水平亮线。 2.垂直扫描原理垂直扫描工作原理如图1-4所示。图(a)中, 一对左右对称放置的垂直偏转线圈(场偏转线圈), 则由于垂直偏转线圈产生的磁场是水平方向的, 电子束将沿着荧光屏垂直方向扫描。 图(b)为输入到偏转线圈中的锯齿波电流iV。 TV为场扫描周期; TSV为场扫描正程期, 此期间电子束完成由上至下扫描并显示亮线; TrV为场扫逆程时间, 电子束很快地由屏幕下端回扫到上端, 并采用消隐措施不

11、在屏幕上显示亮线。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-4 垂直扫描工作原理第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号当场扫锯齿波电流iV由a点经b点逐渐变化到c点时, 电子束从荧光屏最上方a1经b1扫描至最下方c1, 电子束自上而下完成扫描正程。 正程结束后, iV由最大负值c点很快变到最大正值e点, 电子束也很快地由荧光屏最下面的c1点经d1点迅速折回到最上面e1点, 完成场扫描逆程。 假定电子束只有垂直扫描而没有水平扫描, 荧光屏上将呈现一条垂直的亮线。 当既有水平扫描又有垂直扫描时, 荧光屏应呈现满屏幕近似平行的水平亮线,

12、即扫描光栅。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号二、 隔行扫描原理及光栅的形成隔行扫描是在保持帧频25Hz、行频15 625 Hz不变的情况下, 把一帧画面分成两场来扫描。电子束在扫描一帧图像时, 首先扫描所有的奇数行(按空间排列顺序)即第1、3、直至第625行的前半行, 该场即所谓奇数场; 然后电子束再返回顶部扫描所有的偶数行, 即自625行后半行开始, 接着扫第2、4、直至624行, 该场称为偶数场。只要两场的周期相等(包括各自的正程、 逆程时间亦相等)且为帧周期的一半, 则奇、偶场光栅在屏幕上可以实现均匀嵌套, 构成一幅完整的图像。 第一章第一章 电视图像

13、转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-6绘出了隔行扫描示意图。 假设每帧周期包含11行(其中含场逆程2行), 并假定当t=0时, iV为最大正值, iH 为最大负值, 电子束恰扫描在画面的左上端, 即奇数场的A2点处。 在行扫描电流iH从A开始上升至B(行扫正程), 然后 由B降到C(行逆程)的同时, 场扫描电流iV从A1降到B1和C1, 完成第1行扫描。 这时荧光屏呈现出电子束的扫描轨迹是从A2到B2、C2(从B2到C2为行逆程不呈现亮线), C2为荧光屏第3行的起始点。 接着从iH的C点(即iV的C1点)起, 开始荧光屏上的第3行、 第5行、 的奇数场扫描, 直到iV到达最大

14、负值D1点止, 此时该场必终止于第9行的前半行D2点。 在第9行的后半行时, 恰好进行场回扫, 当iV到达最大正值G1时, 电子束从下向上由D2经E2、F2回到荧光屏最上方的中点G2, 结束了第1场即奇数场的扫描。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-6 隔行扫描示意图第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号偶数场的扫描正程是从G2点开始的, 它的图形同样可以根据iV和iH的波形画出。 如图(c)所示。将图(b)的奇场光栅与图(c)的偶场光栅叠加在一起, 即构成全电视屏幕均匀相嵌的光栅图。由于iV值表示电子束在荧光屏垂直方向上的位

15、置、 iH值表示电子束在水平方向上的位置, 图(a)中A1与G1的电平相同, 则说明奇、偶两场的场正程起始点在荧光屏上的垂直位置是相同的。 但由于选择场周期是行周期的整数倍再加半个行周期, 所以奇、偶两场的场正程起始点所对应的iH值是不同的。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号如图(a)所示, 奇场所对应的是iH的最大负值, 而偶场对应的iH是零。 就是说, 两场正程的起始点在水平位置上差半行, 因此两场的光栅不会重叠, 而是实现均匀的嵌套。另外, 第3场正程的起始点和第1场正程的起始点在时间上差一个帧周期, 是行周期的整数倍, 因此它们在荧光屏上的位置不仅垂直

16、方向上相同, 而且水平方向上也相同, 即第3场的光栅与第1场的光栅完全重叠。 同样第4场的光栅与第2场的光栅也完全重叠。通过以上分析可以得出这样两个结论: 为了实现隔行扫描时奇、偶两场扫描光栅均匀相嵌, 每帧图像的扫描行数(包括场逆程在内)必须为奇数; 为了保证各帧光栅的重叠, 要求每帧的扫描行数必须是整数。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.2.3 我国广播电视扫描参数我国广播电视采用隔行扫描, 主要扫描参数如下: 行频: 15 625Hz 场频: 50Hz 行周期: 64 s 场周期: 20 ms 行正程时间: 52 s 场正程时间: 18.4 ms

17、行逆程时间: 12 s 场逆程时间: 1.6 ms 帧频: 25 Hz 每帧行数: 625(显示575) 帧周期: 40 ms 每场行数: 312.5(显示287.5) 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.3 电视图像转换器件电视图像转换器件1.3.1摄像管-光电导摄像管1.3.2显像管第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号光电导摄像管的结构如图1-8所示。它主要由光敏靶和电子枪两部分组成。光敏靶是由光敏半导体材料制成的。景物通过光学系统在摄像管光敏靶上成像。 由于光像各部分的亮度不同, 靶上各相应部分的电导率发生了相应变化, 与亮

18、像素对应的靶单元的电导较大, 与暗像素对应的靶单元电导较小, 于是将景物各像素亮度不同变成了靶面上各单元的电导不同, 光像变成了“电像”。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 图 1-8光电导摄像管结构图第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号电子枪的任务是发射电子束, 它由灯丝J、 阴极K、 栅极G及加速聚焦阳极A1、A2等组成。电子束在聚焦线圈和偏转线圈产生的磁场的联合作用下, 以聚焦状态按一定规律(即从左到右、 从上到下一行一行)扫描靶上各点。当电子束接触到靶面某点时, 使电子枪阴极与信号板、负载RL和电源E构成一个回路, 在负载R

19、L中就有电流流过,电流大小取决于光敏靶该点电导率的大小。 因此, 当电子束按一定规律在靶面上扫描时, 便在负载上依次得到与景物各点亮度相对应的电信号,完成了将图像分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号上述摄取的图像信号(电信号)符合像素越亮, 对应的输出电平越低; 像素越暗, 输出信号电平越高的光电转换规律, 称之谓负极性图像信号。反之, 如果输出电平值与像素亮度成正比, 则称之谓正极性的图像信号。 图像重现的过程 ; 图像的重现是依靠电视接收机的显像管来完成的。 显像管的任务是将图像信号转换为光图像, 完

20、成电到光的转换。显像管主要有电子枪及荧光屏两部分组成。电子枪用于发射电子束, 电子束的强度取决于加在控制栅极的正极性图像信号或加在阴极上的负极性图像信号电平大小。 电子束轰击荧光屏时所产生光像的亮度取决于电子束的强弱。 因此, 电视机荧光屏重现的亮度是由受图像信号控制的一个个亮点所组成。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号为使图像信号重现成一幅完整的光图像, 需要电子束在偏转磁场作用下完成从左到右、 从上到下全屏幕的扫描, 而且电子束在荧光屏上轰击的几何位置也必须与发送端图像像素的位置一一对应, 即收发两端要保持同步的工作状态。图像的分解与复合过程如图1-9所示。

21、 图(a)为投映到摄像管靶面上的需要传送的“口”字图像。 为便于说明, 假设图像沿垂直方向分为9格, 沿水平方向分为12格, 每一小格即为一传送单元(像素)。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号电子束以1a1b1c1l2a2b2l的顺序一直扫到最后一行的9l, 然后再回到第一行重复扫描。 电子束扫描到“口”字上时, 摄像管输出高电平, 在“口”字以外摄像管输出低电平, 扫描各行输出波形如图1-2(b)。 图(c)为显像管荧光屏根据负极性图像信号波形(图(b)重现的“口”字图像。 电压高时, 电子束弱, 屏幕上被轰击到的部分为暗像, 电压低时电子束强, 屏幕上被轰

22、击到的部分呈亮像。 只要扫描速度足够快, 则利用荧光屏的余辉特性和人眼视觉惰性, 即可重现连续的图像。 当然, 显像管中电子束扫描必须与摄像管扫描规律完全一致, 即同步扫描。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-9 图像的分解与复合第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.4 重现电视图像的基本参量重现电视图像的基本参量1.3.1 亮度、对比度和灰度 人眼最重要的视觉功能是对客观景物的亮度感觉。 亮度就是人眼对光的明暗程度的感觉。 亮度用B表示, 度量亮度的单位为cd/m2。cd为烛光发光强度坎德拉。 根据实际要求, 电视图像平

23、均亮度应不小于30 cd/m2, 最大亮度应大于100cd/m 2 (或60cd/m 2)。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号目前,显像管的发光亮度能做到上百cd/m2的量级, 而所摄取客观景物的最大亮度可高至上万cd/m2, 两者差别很大,重现图像是无法达到客观景物的实际亮度。 但由于人眼对背景亮度有很强的适应性, 所以只要保持重现图像的对比度与客观景物相等, 就可以获得与客观景物一样的明暗感觉了, 而完全没有必要重现客观景物的实际亮度。客观景物的最大亮度与最小亮度之比称为对比度，对于重现的电视图像, 对比度不仅与显像管的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin有关

24、, 还与周围的环境亮度BD有关, 其对比度K为第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号显然环境越亮, 电视图像的对比度就越低。一般对比度能达到3040就可以获得满意的收看效果。重现图像的对比度越大, 图像的黑白层次就越丰富, 人眼的感觉就越细腻、柔和。 图像从黑色到白色之间的过渡色统称灰色。 灰度就是将这一灰色划分成能加以区别的层次数。 为了鉴别电视机所能恢复原图像明暗层次的程度, 电视台发送一个十级灰度信号。 电视机经调整后在图像中能区分的从黑到白的层次数称为该机具有相应级的灰度。 实际上, 电视机只要能达到六级灰度, 就能收看明暗层次较佳的图像。 我国电视标准规定

25、甲级和乙级电视机分别达到八级和七级灰度。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.3.2 每帧扫描行数的确定前面已经讨论过, 为了获得图像的连续感、克服闪烁效应并不使图像信号的频带过宽, 我国规定帧频为25Hz, 采用隔行扫描, 场频定为50Hz。这样的场频恰好等于电网频率, 还可以克服当电源滤波不良时图像的蠕动现象。由于扫描行数决定了电视系统的分解力, 从而决定了图像的清晰度, 因此在电视标准中确定扫描行数是一个极为重要的问题。 我国规定每帧含625行。在帧频一定时, 每帧行数越多, 系统反映图像细节的能力越强, 但信号占用的频带也加宽。事实上, 由于人眼在一定

26、距离内分辨图像细节能力有一定限度, 因此没有必要过份提高每帧行数。于是, 可依据人的这一视觉特性确定行数。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-10绘出了人眼分辨图像细节能力的示意图。 图中, 为分辨角, 是在一定距离L时, 人眼恰能分辨的两个黑点之间的夹角。 显然越小, 表示人眼的分辨力越强, 反之则越弱。 因此可以定义人眼的分辨力为分辨角的倒数。d为两个黑点之间距离, 即行距; h为屏幕高度; 为视觉清楚区域张角; L为最佳观看距离。由图得到分辨角为 （1-2）（1-3）屏幕显示行数Z为则有 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视

27、信号图1-10 人眼的分辩力示意图第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号一、 垂直分解力垂直分解力是指沿着图像的垂直方向上能够分辨像素的数目。显然它受每帧屏幕显示行数Z亦即总行数Z的限制。 在最佳的情况下, 重直分解力M就等于显示行数Z。在一般情况下, 并非每一屏幕显示行都代表垂直分解力, 而取决于图像的状况以及图像与扫描线相对位置的各种情况, 这可用图1-11加以说明。图1-11(a)是摄取的图像, 图1-11(b)是重现的图像。图中, 电子束截面覆盖的是一行扫描线, 并且忽略了扫描线之间实际存在的间隙。 图(a)中, a1和a4的图像细节(黑条与白条)恰好占据了

28、扫描线满格, 此时摄像管输出的图像信号的电平高低分明, 因而图(b)中重现的图像b1和b4仍是黑白分明的原像, 此属最佳情况, 垂直分解力M=Z。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-11 垂直分解力示意图第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号如果摄取图像为a2, 图像细节与电子束中心错开, 即电子束恰好覆盖黑条和白条各一半, 则各行的图像信号均为黑、白信号电平的平均值, 因而重现图像b2是一条均匀的灰色带, 系统丧失了垂直分解力, 即M=0。当摄取图像为a3、a5时, 其重现图像是b3、b5, b3图像对比度下降、b5黑白边界

29、不明显, 但能重现原图像规律, 只是垂直分解力下降为原线数的一半, 即M=Z/2。因此, 考虑到图像内容的随机性, 则有M=kZ (1-4)k值通常为0.51, 若取k=0.76, 则有效垂直分解力M=0.76575=437线。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号垂 直 分 解 力 M亦 可 用 总 行 数 Z来 表 示 。 因 为 有Z/Z=TSV/TV, 故有二、 水平分解力水平分解力是指沿图像水平方向系统能分解的像素数目(垂直线数), 以N表示。 水平分解力取决于电子束横截面大小, 亦就是说, 水平分解力与电子束直径相对于图像细节宽度的大小有关。 (1-5

30、)第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 电子束在水平方向扫描与垂直方向扫描完全不同。 垂直方向一定要一行一行地扫描, 相邻行之间的扫描线不重叠, 而水平方向则是连续地扫描过去的。 以摄像管为例, 尽管电子束可以聚焦得很细, 但总有一定的截面积(接近于像素), 因此它在水平扫描时将使黑白像素界线模糊, 转换成的图像信号电压不能突变, 存在一过渡期。 如果图像细节比电子束更小, 这时则根本反映不出这种细节的崐变化了。 把这种现象称做孔阑效应。孔阑效应示意图如图1-8所示。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-8 孔阑效应示意图 第

31、一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-8(a)是摄取图像的取样, 图(b)是它转换成的图像信号电压波形。 图中若白条与黑条的宽度远大于电子束直径d, 当电子束从左向右扫过画面时, 只有当电子束的中心分别处于x1位置以左和x2位置以右时, 电子束截面才完全覆盖白条和黑条, 这时输出图像信号在对应的t1和t2时间达到最高电平u1和最低电平u2(正极性图像信号)。而当电子束中心处于x1和x2之间时, 随着电子束覆盖白条、黑条的面积不同, 将使信号u存在一过渡期。其重现的图像如图(c)所示(忽略显像管的孔阑效应时), 在白条和黑条交界处有灰色过渡区, 它的宽度为d, 这

32、使图像模糊从而降低水平分解力。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-8(d)、 (e)给出了当摄取图像细节宽度改变时其对应的信号波形。 当细节宽度越来越窄直至等于电子束直径d时, 由于不变, 图像信号u将由梯形波趋于正弦波, 这时对比度保持不变, 转换成的图像仍为黑和白, 但黑白边缘呈现模糊的灰色, 图像的清晰度下降。 当图像细节宽度小于d时, 还会使对比度显著下降。实际上, 在显像管电光转换中也存在上述的孔阑效应, 但因摄像管光电靶的面积远比显像管屏幕小得多, 因而摄像管的孔阑效应是主要的。为了克服孔阑效应, 在电视发送端采用专用电路进行校正。 第一章第一

33、章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号从以上讨论可知, 要提高水平分解力, 需要减小电子束直径。 但电子束直径太细, 则在保持每帧行数不变的前提下, 将在行与行之间有明显空隙, 画面被扫描到的部分将减少, 从而降低传输效率。因此电子束大小要适当, 一般以等于一帧的高度除以扫描行数为宜。 这样, 当扫描行数确定之后, 电子束直径的大小和水平方向的分解力也就大致决定了。实验证明, 在同等长度条件下, 当水平分解力等于垂直分解力时图像质量最佳。 因为屏幕的宽高比为43(人眼视觉清楚区为垂直张角15, 水平张角为20), 故水平分解力可据(1-4)式求出第一章第一章 电视图像转换原理

34、与电视信号电视图像转换原理与电视信号（1-6） 同样也可用Z表示N, 将(1-5)式代入(1-6)式得（1-7）第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.3.4 视频信号的频带宽度视频信号(即图像信号)的频带宽度不仅是确定射频电磁波频带宽度的主要依据, 而且还直接关系到电视机高频放大器和中频放大器的设计要求。 由于图像信号的最低频率可视为直流, 因此图像信号的最高频率fmax就是信号的频带宽度。当各水平方向都出现图像细节时将确定信号最高频率。 即由(1-6)式确定的N值就代表在行扫描正程期TSH内扫过的像素数, 于是扫过每个像素需时为 第一章第一章 电视图像转换原

35、理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图像信号最高频率对应的周期为2td, 则有故视频信号的频带宽度为5.6MHz, 通常将其略称为6 MHz。fmax也可用Z表示。将(1-8)式变换为（1-8）第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号将关系式fH=(fV/2)Z及(1-7)式代入(1-9)式即得到由(1-10)式可见, 当fV、 TSV、TV、 TH、 TSH为定值时, fmax与z的平方成正比。 （1-9）（1-10）第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.3.5 图像的几何特征人眼视觉最清楚的范围是在垂直视角约15、水平视角约20的

36、矩形面积之内崐。根据这一特点, 目前各国电视机屏幕都采用矩形,宽高比大多为43, 也有采用54和53等。重现图像的另一个几何特征是几何失真, 也即是重现图像的形状、大小、相对位置等与原来景物的不一致程度。 通常, 图像的几何失真有两种。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.扫描锯齿波电流非线性引起的几何失真设系统传送的是标准方格信号, 则扫描锯齿电流及对应的几何图像如图1-9所示。 图 1-9 扫描非线性引起图像失真图1-9(a)是当行、场扫描电流均为线性时的理想情况, 此时重现图像与原图像相似, 没有几何失真。当行、 场扫描电流非线性时, 其重现的方格宽度、

37、高度就会不均匀而呈现几何失真, 如图(b)、图(c)所示。衡量失真的程度用几何失真系数表示。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号水平几何失真系数NH为 垂直几何失真系数NV为通常电视机要求NH17%, NV12%。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-10 图像几何失真示意图第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号2.偏转磁场不规则引起的几何失真由于偏转线圈绕制和安装不当, 使磁场方向不规则、 不均匀及行、 场磁场彼此不垂直等, 则扫描光栅将产生枕形、 桶形及平行四边形等几何失真。 图1-10为枕形

38、和桶形失真情况。几何失真系数Ng表示如下:水平方向重直方向 通常电视机要求NgH、NgV均小于3%。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号1.5全电视信号全电视信号1.5.1 图像信号图像信号是反映图像内容的电视信号, 它的电压高低表示图像像素的明暗程度。 由于图像是随机性的, 因此图像信号电平也在一定范围内随机起伏。 图像信号是在电子扫描作用下, 由摄像管将明暗不同的景像转换为相应的电信号, 然后经信号通道传送给显像管, 用于控制显像管中投射到荧光屏上电子束的强弱。图1-11为两行的图像信号波形。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信

39、号图 1-11 图像信号相对幅值的75为全黑相对幅值的10为全白第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号一、 图像信号的特点图像信号有两个主要特点。1.相关性对于一般的活动图像, 由于在垂直方向变化缓慢, 而且每帧图像显示575行、 行扫周期很短, 故相邻两行的图像信号的差别很小。 因此, 在帧间与行间具有较强的相关性, 对静止图像而言, 则具有行重复性或帧重复性, 即周期性。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号2.单极性图像信号电平的数值总是在零值以上或零值以下的一定电平范围内变化的, 它不会同时跨越零值上下两个区域, 也即具有单极性特

40、点。 因此图像信号具有平均值, 该平均值决定了图像的背景亮度。 在传输中可以隔断直流只传输交流信号, 但在图像重现前必须恢复直流以呈现背景亮度。图像信号有正极性和负极性之分, 如1.1.1节所述。 我国采用负极性信号制, 已调信号的黑电平为75%相对电平, 白电平为10%相对电平, 如图1-11所示。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号二、 图像信号的频谱已知图像信号的频谱宽是6MHz, 其频谱特性如图1-12所示。它表示图像信号的频率在6MHz范围内出现的机会相同, 而且图像分别都能达到最黑和最白, 因而信号幅度亦是相等的。 事实上, 当摄取的图像一定时, 由

41、于图像信号具有周期性, 它的频谱将是离散的线状谱, 故应注意这两种表示方法的含义及其区别和联系。下面分析几种固定图像的信号波形及离散谱特性, 从而找出一般图像信号离散谱特性的规律。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-12 图像信号总频谱第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-13(a)所示图像, 其对应的图像信号u是以场为周期的方波(图中是负极性图像信号, 并忽略行、场逆程期), 其频谱|A(f)|是以场频fV为间隔的离散谱, 考虑到图像一般不对称的特点, 故不忽略各偶次谐波(以下均同)。 随着谐波次数增高, 振幅将减小。图

42、(b)所示图像, 其对应的图像信号u是以行重复期为周期的方波信号,其频谱|A(f)|是以行频fH为间隔的离散谱。同样, 随着谐波次数增加, 振幅也将愈来愈小。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-13 图像信号及其频谱第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图(c)所示图像, 其对应波形为u, 它可看作是以场频信号对行频信号实行幅度调制。于是其频谱|A(f)|是以fH及其各次谐波为主谱线; 在每条主谱线的两侧, 则是以场频fV及其各次谐波为间隔的副谱线, 因此图(c)所示图像具有双重离散谱。 推广到更一般的固定图像, 其信号频谱结

43、构仍如图(c)所示, 只是因一般图像在垂直方向变化不规则并考虑到隔行扫描特点, 图中主谱线两侧的线状谱也可以看作是以帧频为间隔的。对于活动图像来说, 由于信号仍可看作是以行为周期的, 因此, 以行频为主谱线的频谱结构保持不变, 只是因图像是随时间变化的, 信号不再看作是以场(帧)为周期, 因此在主谱线两侧的线状谱将趋于连续谱(即图|A(f)|中的三角形内的线状谱将趋于连续谱)。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号从以上讨论中可以看出, 图像信号频谱实际上是呈梳齿状的离散谱, 在相邻两组主副谱线簇之间存在相当大的间隙。 根据分析与实验, 因图像在垂直方向变化缓慢,

44、 因此主谱线两侧的边频对数m不超过10, 如以m=20、 fV=50Hz 计算, 则每组谱线所占频带约2f=22050=2kHz, 而主谱线间隔为15.625 kHz, 所以其空隙很大, 因此我们可以采用频谱间置方法将色度信号间置在亮度信号之间。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.4.2 复合消隐信号复合消隐信号包括行消隐和场消隐两种信号, 如图1-14所示。行消隐信号用来确保在行扫描逆程期间显像管的扫描电子束截止, 不传送图像信息; 场消隐信号是使在场扫描逆程期间扫描电子束截止, 停止传送图像信息。 因此在行、场回扫期间荧光屏上不出现干扰亮线。行、场消隐

45、脉冲的相对电平为75%, 相当于图像信号黑电平。行消隐脉宽为12s、周期为64 s, 场消隐脉宽为1 612s、 周期为20ms。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-14 复合消隐信号第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.4.3 复合同步信号复合同步信号是由行同步脉冲、 场同步脉冲、 开槽脉冲、 前后均匀脉冲组成。一、 同步的重要性同步是电视接收技术中一个特殊问题, 也是一个至关重要的问题。 这是因为在发送端已将图像进行空间分割, 分解成40万个像素, 再一个一个地按一定顺序传送出去。 而电视接收机也只能是一个一个地接收

46、像素, 因此, 电视接收机要想呈现出一幅和发送端完全相同的图像, 不但要求收到的像素数目与发出的相等, 而且这40万个像素组合排列的规律也必须和发送端一致。 这样才能把已被分割成为40万个小“碎片”的一幅图像重新组合还原。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号在电视接收技术中, 把收到的像素按发送端的规律组合成原图像, 叫做收、 发两端同步。 由于将图像分解成像素和顺序传送像素的任务是由摄像管通过电子束扫描来完成的, 像素的重新组合则是由显像管通过电子束扫描来完成的, 所以, 同步的实质就是保证收发两端的电子束扫描步调完全一致。 这就是: 第一, 收发两端每秒扫描的

47、行数和场数应该相同, 即每个行扫描周期和场扫描周期内包含的像素数相同; 第二, 收发两端电子束扫描的位置要一一对应, 即发端在哪一点拾取的信号, 收端也要显示在哪一点。 这就是说, 同步就是使收发两端电子束扫描规律一致, 即同频同相。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号当收发两端行扫描不同步时, 显示的图像如图1-15所示。 图(a)表示收发两端同步时图像。 图(b)表示当收端行周期略大于发端时, 发端的各行像素将逐次提前在收端的对应行出现, 使图像呈现向左倾斜的形状, 图像右侧出现的是对应于行消隐电平的黑条。 图(c)为当收端行周期略小于发端时的右倾斜图像。

48、图(d)是当收发两端同频但不同相时的畸变图像, 图像虽然稳定, 但被分裂成左右两半。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号保持收发两端场扫描同步也十分必要。 若收端场扫描周期略大于发端, 则扫描速度变慢, 各场逐次提前, 图像将不断向上滚动。 反之, 当收端场扫周期略小于发端, 图像将不断向下滚动。 当收发两端场扫周期(频率)相等, 但初始相位不同(例如差半场)时, 虽图像稳定, 但被分裂成上下两半, 如图1-16所示。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-15 行扫描不同步时显示图像 图1-16 场相位偏差时图像第一章第一章

49、 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号二、 简单复合同步信号为了讨论方便, 把尚未加置前后均衡脉冲和未加开槽脉冲的复合同步信号称为简单复合同步信号。 简单复合同步信号只包含有行同步和场同步两个信号。图1-17为复合消隐与行、场同步信号的示意图。由于采用隔行扫描, 一帧分为两场, 故两个场同步信号之间相隔312.5行。 通常都把场同步脉冲的前沿作为一场的开始, 奇数场结束于半行数处, 偶场开始于半行数处。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-17 行场同步与复合消隐信号示意图 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号行

50、同步信号是在发端每一行扫描正程结束之后发送出的脉冲信号, 表示行正程的结束。 电视机在收到这个信号之后就立即开始行回扫, 以保证电视机的行扫描与发送端同步。 行同步信号只作同步用, 不应在屏幕上显示出来, 所以行同步信号是在行消隐期间送出的。 行(场)同步信号电平约占全电视信号总幅度的25%, 叠加在消隐信号上。 行同步脉冲宽度为4.7 s, 行同步脉冲前沿滞后行消隐脉冲前沿约为1.3s。场同步信号是在每一场正程结束后送出的脉冲信号, 以表示场正程的结束。 电视机收到这个信号就开始场回扫, 以确保电视机与发端保持场扫描同步。 同样, 场同步信号也应该在场消隐信号出现后就送出, 而且比场消隐信号

51、电平高25%。场同步信号脉冲宽度规定为2.5行周期, 为160 s。场同步信号前沿滞后场消隐信号前沿约为160 s。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号三、 均衡、 开槽脉冲及复合同步信号1.均衡脉冲由于同步信号电平高于消隐信号和图像信号, 因此可以采用幅度分离法将行、 场同步信号从全电视信号中分离出来。 分离后的行、 场同步信号如图1-18(a)所示。 然后再利用行、 场同步脉冲宽度不同, 采用积分电路取出场同步脉冲。由于隔行扫描的奇、 偶场的场同步信号的起点, 相对于行同步信号的位置不同, 奇数场的场同步信号A前沿与行同步前沿相同, A的后沿与行同步前沿差半

52、行; 而偶数场的场同步信号B是从半行处开始, 终止于整行处。 因此, 如果将图1-18中奇场场同步信号A和偶场场同步信号B输入到积分电路, 得到的积分波形是不同, 如图1-18(b)所示。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-18 行场同步脉冲和积分输出波形第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号这样, 由于两场的场同步信号前沿与上一场最后一个行同步相隔时间不同, 致使场同步前沿到达时积分电容上存在的起始电压不相等。 假如, 当奇数场同步A到达的t1时刻, 前面的行同步放电已使积分电容上电压为零伏,偶数场同步B到达的t1时刻, 积分

53、电容上存在放电剩余电压EC2值, 则造成对A、B两场同步积分起始电压不同。 这样, 奇场同步积分电压将延迟t1时间达到场扫描振荡器的触发电平EC1值, 即奇数场在t2时刻触发、开始回扫; 偶场同步积分电压将延迟t1时间达到EC1值, 即偶数场在t2时刻触发、 开始回扫。 由于t1t1, 所以图1-18(b)中的实际奇数场场周期TV小于TV。 同理, 实际的偶数场场周期将大于TV。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号隔行扫描要求两场的场扫描时间必须相等, 才能保证偶数场的扫描行准确地嵌在奇数场各扫描行之间。如果两场扫描时间不等, 就不能保证准确地隔行扫描, 严重时

54、将会产生并行现象, 使垂直清晰度下降。解决办法, 在奇、偶场的场同步信号前的2.5行期间内, 共设置5个周期为TH/2的均衡脉冲, 以使两个场同步脉冲前的2.5行期间内的波形相同, 使奇、偶场同步前沿到达时, 积分电容上充得的电压基本相等。另外, 为使场同步前2.5行内的平均电平保持不变, 将5个均衡脉冲宽度减小一半, 为2.35s。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号同时, 考虑到两场场同步信号之后的积分波形不同也可能对某些扫描电路有影响, 所以在场同步信号后面也加了5个均衡脉冲, 使场同步脉冲结束之后的2.5行期间内, 奇偶两场的积分波形也完全一样。设置前后均

55、衡脉冲波形参见后面图1-20。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号2.场同步槽脉冲由图1-18可知, 在场同步信号期间将丢失23个行同步的信息, 以致收、发两端在此期间不能保持严格同步, 这会使屏幕图像最上面的几行出现不稳定。为了使场同步信号期间不丢失行同步信息, 要对场同步脉冲进行开槽。开槽的方式: 在奇数场的场同步脉冲上开两个、在偶数场的场同步脉冲上开三个宽度均为4.7 s的槽, 槽的后沿应在原行同步脉冲上升沿的位置。这样, 采用微分电路, 在场同步开槽的后沿(上升沿)位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与

56、电视信号奇偶场同步开槽波形如图1-19所示。 由图可见, 由于奇偶两场的场同步脉冲开槽位置不同, 也会使积分输出波形产生差异。 于是在场同步期内增加开槽, 即每半行开一个槽(槽宽不变), 在奇、 偶两个场同步信号上都开五个槽脉冲, 这样, 奇、 偶两场槽脉冲的分布位置就完全一样了, 积分之后的输出波形下凹数目及位置也就完全相同了。 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-19 场同步脉冲开槽后的波形 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号隔行扫描加均衡脉冲及增加槽脉冲后的同步信号波形如图1-20(a)、 (b)所示。 显然, 这时奇

57、、 偶两场场同步信号的积分输出波形就一致了, 如图1-20(c)。 从而保证了奇场周期等于偶场周期, 保证了隔行扫描的准确实现。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图 1-20 实际复合同步脉冲及积分输出波形图 第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号 1.4.4 全 电 视 信 号全电视信号的波形如图1-21所示。它由图像信号及六种辅助信号(场同步、 行同步、场消隐、行消隐、前后均衡脉冲及槽脉冲)组成。 前面分析的图像信号频带宽度, 就是全电视信号的频带宽度, 因为各种周期的辅助信号的最高频率不超过图像信号的最高频率。 第一章第一章 电

58、视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号图1-21 黑白全电视信号第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号全电视信号有如下三个特点:1.脉冲性全电视信号由图像信号、 同步信号、 消隐信号等多种信号组合而成。 虽然图像信号是随机的, 既可以是连续渐变的, 也可以是脉冲跳变的, 但辅助信号均为脉冲性质, 这使全电视信号成为非正弦的脉冲信号。2.周期性由于采用了周期性扫描方法, 使全电视信号成为以行频或场频周期性重复的脉冲信号。第一章第一章 电视图像转换原理与电视信号电视图像转换原理与电视信号3.单极性与图像信号的单极性相同, 全电视信号也有正极性与负极性之分, 图1-21所示即为负极性黑白全电视信号波形图。全电视信号中各辅助脉冲参数如下: 行消隐脉宽: 12 s 行同步脉宽: 4.7场消隐脉宽: 1 612s 场同步脉宽: 160 槽脉冲宽: 4.7s 均衡脉冲宽: 2.35s