第一章 電視基礎知識

1、概 述 電視原理電視原理課程是從事電視工程、通信工程、信息工程專業(yè)需要學習的一門重要課程 所謂電視是指通過一個電信系統(tǒng)，將一個實際的或記錄的活動景物在一定距離之外重現(xiàn)其圖像的技術。 電視是近100年來最偉大的發(fā)明之一，是現(xiàn)代電子技術的奇跡，它通過圖像和聲音把這個世界帶入我們的家中。第1章 電視基礎知識 1.1 電子掃描電子掃描 成像的原理成像的原理1.2 黑白全電視信號黑白全電視信號信號的內(nèi)容信號的內(nèi)容1.3 彩色的基本概念彩色的基本概念三三基基三三要要概念概念 這一章著重討論在電視系統(tǒng)中所用這一章著重討論在電視系統(tǒng)中所用到的光電轉換、電子掃描、全電視信號到的光電轉換、電子掃描、全電視信號及彩

2、色等有關共有的基礎知識。及彩色等有關共有的基礎知識。1.1 電子掃描 1. 1. 1 像素 定義：把一幅圖像按一行緊挨一行的順序分解成許許多多的細小單元，這些組成畫面的細小單元就稱為像素。 像素的傳送應該具有兩個特點: 傳送速度要快時間特點。 傳送位置要準空間特點。 電子掃描：在電視系統(tǒng)中，將組成一幅圖像的像素，按從左至右、自上而下的順序轉換成電或光信號的過程稱為電子掃描。 1.1.21.1.2 光電與電光轉換 電視圖像的形成, 在發(fā)送端是攝像管作為光電光電轉換器件, 在接收端是顯像管作為電光電光轉換器件。 1. 攝像管與光電轉換 攝像管主要由： 鏡頭光電靶偏轉線圈電子槍等組成。 工作原理圖：

3、 由光敏半導體由光敏半導體材料構成材料構成暗亮tu 光敏半導光敏半導 體材料體材料. 2. 顯像管與電光轉換 顯像管是接收端重現(xiàn)圖像的器件,主要由： 電子槍 真空玻璃殼 熒光屏 陰罩板 高壓嘴 偏轉線圈 等組成。蔭罩板 1.1.3 1.1.3 電子掃描 1. 電子掃描運動 在電視系統(tǒng)中,無論是攝像管還是顯像管，其電子槍外面都裝有偏轉線圈行線圈和場線圈。行線圈中流過行掃描電路產(chǎn)生的鋸齒波掃描電流，產(chǎn)生垂直方向的偏轉磁場。 場線圈中流過場掃描電路產(chǎn)生的鋸齒波掃描電流，產(chǎn)生水平方向的偏轉磁場。在這兩個磁場的共同作用下,使電子束同時作水平與垂直方向的掃描運動。如下圖所示。 圖17 掃描電流波形(a)行

4、掃描電流波形; (b)場掃描電流波形 ab 時 bc 時90 110 圖18 光柵形狀(a)只有行掃描; (b)只有場掃描; (c)行、場掃描同時存在 從上至下掃描結束稱為一場 偏轉線圈實物全貌場偏轉線圈行偏轉線圈 偏轉線圈外視圖 偏轉線圈內(nèi)視圖實際結構圖 顯像管座 磁環(huán) 圖110 掃描電流與重現(xiàn)圖像的關系(a)線性掃描,圖像無失真;(b)行掃描非線性,產(chǎn)生左伸、右縮的非線性失真;(c)場掃描非線性,產(chǎn)生上拉、下壓的非線性失真 掃描電流的非線性對顯示圖像的影響： 圖111掃描電流幅度不足時產(chǎn)生的失真 (a)行掃描幅度小 (b)場掃描幅度小枕型失真、桶型失真S型失真 2. 隔行掃描 隔行掃描,就

5、是在每幀掃描行數(shù)仍為625行不變的情況下,將每幀圖像分為兩場來傳送,這兩場分別稱為奇數(shù)場和偶數(shù)場。奇數(shù)場傳送1,3,5,奇數(shù)行;偶數(shù)場傳送2,4,6,偶數(shù)行。 圖112 隔行掃描光柵及電流波形 (a)每幀光柵;(b)行掃描電流波形;(c)場掃描電流波形 隔行掃描方式要求每隔行掃描方式要求每幀幀掃描總行數(shù)為奇數(shù)。掃描總行數(shù)為奇數(shù)。 （11 行）1.2 黑白全電視信號 1.2.1 主體信號圖像信號 1. 圖像信號及其特征 圖像信號是由攝像管將明暗不同的景像轉變而來的電信號。 它具有兩個主要特征: (1)圖像信號是單極性的，含直流，具有平均直流成分,其數(shù)值確定了圖像信號的背景亮度。 (2)對于一般活

6、動圖像,相鄰兩行或相鄰兩幀信號間具有較強的相關性。 由圖113 所示（P10）。單極性信號 圖113 圖像信號(a)正極性亮度遞減信號;(c) 一般的負極性圖像信號 黑 2. 圖像信號的基本參量 亮度亮度、對比度對比度和灰度灰度是電視圖像轉換中三個重要參量。圖像質量,主要由這三個量描述。 亮度是指單位面積的光通量。 亮度的單位通常是尼特(nit）。u電視機標準圖像輸出情況下，最暗3nit，最亮80nit。u攝像機的亮度用照度表示：單位是Lux（勒克斯）。彩色攝像機一般為0.12000 Lux。通常是給出最低照度（靈敏度）0.1 Lux。u投影儀的亮度用流明表示：單位是ANSI(流明：單位時間內(nèi)

7、每平方米的光通量)。通常是給出最高亮度3000流明。 對比度是電視圖像中客觀景物最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比。當以K表示對比度時,有：maxminBKB(14) 調(diào)對比度，實際上就是調(diào)圖像信號的幅度。調(diào)對比度，實際上就是調(diào)圖像信號的幅度。 AV狀態(tài)時，調(diào)對比度，屏幕光柵是否發(fā)生變化？ 灰度圖像的明暗層次。 1.2.2 輔助信號 本章難點復合同步和復合消隱信號。 1.復合同步信號（行+場同步信號） 電視系統(tǒng)中,收、發(fā)端掃描必須嚴格同步,即收、發(fā)掃描對應的行、場起始和終止位置必須嚴格一致,否則就會出現(xiàn)畫面不穩(wěn)定現(xiàn)象。甚至完全失步。在發(fā)送端，同步信號是由專門的電路或 “同步機”產(chǎn)生的。它一

8、方面控制電視攝像機的行、場掃描，另一方面和圖像信號、消隱信號混合形成全電視信號，發(fā)送出去，控制接收端的掃描。 圖114為收發(fā)兩端行頻相位不同步產(chǎn)生的行失步情況。圖114(a)為發(fā)端圖像。圖114 (b)為相位不同步的情況。 2. 復合消隱信號 電子束從屏幕右邊回到屏幕左邊的逆程回掃期間，和電子束從屏幕下邊回到屏幕上邊的逆程回掃期間，希望它不要使屏幕發(fā)光，為此，在電子束逆程期間，傳送一個黑色電平的信號電壓，使電子束截止。這個信號電壓叫做消隱信號。行消隱和場消隱混合在一起，組成一個復合消隱信號。 圖115 復合同步與復合消隱信號(a)復合同步信號;(b)復合消隱信號; (c)復合同步與復合消隱信號

9、 3.槽脈沖 分析后再回來 由 于 場 同 步 信 號 脈 沖 寬 度 比 較 寬（160us),在這段時間內(nèi)，沒有行同步信號，使行掃描失去了同步。為此，在場同步信號內(nèi)開了幾個小凹槽，使槽的后沿位于原來應該在此出現(xiàn)的行同步信號上升沿的位置上。凹槽寬度（4.7us）要窄，這樣對接收端場同步信號的積分影響小。如下圖所示。 圖116 同步分離原理框圖及波形(a)分離電路原理圖; (b)各點波形 圖116 同步分離原理框圖及波形(a)分離電路原理圖; (b)各點波形 4.均衡脈沖 由于采用了隔行掃描，故有奇數(shù)場與偶數(shù)場之分。對于奇數(shù)場，它是在半行處結束，因此場同步信號應在半行時加入；對于偶數(shù)場，它是在

10、一個整行后結束，因此場同步信號應在一個整行結束時加入。這樣，相鄰兩場的場同步信號前面的行同步信號的位置是錯開的，正好相差半個行周期。如下圖所示。(a)復合同步信號;(b)積分輸出波形;圖117 復合同步脈沖及積分結果 相鄰兩場同步信號在接收端用積分法恢復出來的場同步信號的波形不一樣，相鄰兩場的同步作用在時間上不一致，光柵產(chǎn)生并行現(xiàn)象。柵并行圖示 為此，在場同步脈沖前后分別加入了五個窄脈沖，稱為前后均衡脈沖，脈沖間隔為半個行周期。這樣，就使相鄰兩場同步脈沖前后較近的時間內(nèi)，脈沖的差異較小，以消除并行現(xiàn)象。 1.2.3 黑白全電視信號 1.全電視信號波形 將圖像信號、復合

11、同步、復合消隱、槽脈沖和均衡脈沖等疊加,即構成黑白全電視信號,通常也稱其為視頻信號,其波形如下圖所示。 圖118 黑白全電視信號118 黑白全電視信號 2.全電視信號的頻譜 所謂頻譜,就是電信號的能量按頻率分布的曲線。全電視信號的頻譜,應是它所包含的主體信號(圖像信號)與輔助信號的頻譜之和。 圖119 圖像信號的頻譜 歸納起來,圖像信號的頻譜具有如下特征: (1)以行頻及其諧波為中心,組成梳齒狀的離散頻譜。 (2)隨著行頻諧波次數(shù)的增高,譜線幅度逐漸減小。 (3)實踐證明,無論是靜止或活動圖像,圍繞行頻譜線分布的場頻諧波次數(shù)不大于20(即圖119中m20)。按m=20

12、計算,各譜線群所占頻譜寬度僅為2mfv=22050=2kHz,相鄰兩主譜線間距為15.625kHz,可見各群譜線間存在著很大的空隙。 頻譜圖告訴我們，描述圖像信號內(nèi)容的頻率主要集中在低頻端和行頻及其諧波的主頻線附近。換句話說，在主頻線附近圖像信號的內(nèi)容比較豐富。圖120 各輔助脈沖信號的頻譜 各輔助脈沖信號的頻譜，與脈沖寬度（ ）有關，均小于1MHZ。圖121 全電視信號頻譜示意圖 為了分析問題簡單，全電視信號的頻譜常以下圖表示。1.3 彩色的基本概念 彩色電視也是采用光電光及聲電聲轉換以及電子掃描原理來變換、傳送、重現(xiàn)圖像和伴音的。與黑白電視不同的是，彩色電視的攝像機是將彩色景物變換成紅綠藍

13、三種基色的電信號，然后進行適當?shù)奶幚?、傳輸，再通過彩色顯像管重現(xiàn)彩色圖像。一句話，就是增加了一個色度信一句話，就是增加了一個色度信號號。為此，首先要弄清楚彩色電視的色度學基本知識。 1.3.1光和色的概念 1.可見光的特性 光是一種以電磁波形式存在的物質,人眼能看見的光叫可見光,其波長范圍為380nm到780nm。 從電視角度看,可見光有如下特性: (1) 可見光的波長范圍有限,它只占整個電磁波波譜中極小的一部分。 (2) 不同波長的光呈現(xiàn)出的顏色各不相同。 波長由長到短,呈現(xiàn)的顏色依次為:紅紅、橙橙、黃黃、綠綠、青青、藍藍、紫紫。 (3) 只含有單一波長的光稱為單色光;包含有兩種或兩種以上波

14、長的光稱為復合光,復合光作用于人眼,就呈現(xiàn)混合色。 (4) 太陽發(fā)出的白光中包含了所有的可見光,若把太陽輻射的一束光投射到棱鏡上,太陽光會經(jīng)過棱鏡分解成一組按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫順序排列的連續(xù)光譜。 2. 物體的顏色 我們看到的顏色有兩種不同的來源：一種是發(fā)光體所呈現(xiàn)的顏色；另一種是物體反射或透射的彩色光。 另外，物體呈現(xiàn)的顏色與照射它的光源有關。 不同波長的光對應單一的色，不同波長的光對應單一的色，而顏色對應的光卻并非單一。而顏色對應的光卻并非單一。 3. 色溫和標準光源 (1)色溫的概念 色溫是以絕對黑體黑體的加熱溫度來定義的。所謂絕對黑體是指既不反射也不透射完全吸收入射光的物體。當

15、絕對黑體在某特定絕對溫度下，所輻射的光譜與某光源的光譜具有相同的特性時，則絕對黑體的這一特定溫度就定義為該光源的色溫。 (2)各標準的白光源: A光源:相當于2800K鎢絲燈（100W）所發(fā)的光。 B光源:4800K,相當于中午直射的太陽光。 C光源:6800K,相當于白天的自然光。 D光源:6500K,相當于白天平均照明光。 E光源:5500K是一種理想的等能量的白光源。 晴朗的蘭色天空：晴朗的蘭色天空：26000K。 日立公司顯像管：日立公司顯像管：6500K。 東芝公司顯像管：東芝公司顯像管：9300K。 索尼公司顯像管：索尼公司顯像管：11000K。 1.3.2 視覺特性 1. 相對視

16、敏曲線 物質有選擇地吸收、反射或透射不同波長的光,是物體固有的物理特性,它決定了該物體的顏色;而人們感覺到光的亮度和光的顏色卻是人的眼睛的生理結構特點所造成的。 圖125 相對視敏曲線綠色亮度最強紅色次之（1/2）蘭色最弱（1/6） 2. 人眼的亮度感覺 人眼所能感覺到的最大亮度與最小亮度的差別，即人眼視覺范圍很寬。但不能同時感覺到這么大的范圍。 如環(huán)境亮度為10000nit： 20020000nit； 30nit： 2200nit。 在不同環(huán)境亮度下對同一亮度所產(chǎn)生的主觀亮度感覺卻完全不同。 如晚上看電視。 3. 人的彩色感覺 人眼是一種特殊的光接收器。視網(wǎng)膜上存在著許多能引起亮度感覺的桿狀

17、細胞和彩色感覺的紅、綠、藍錐狀細胞。人眼的色感就是由此三種錐狀細胞共同響應的結果。 彩色光在人眼視網(wǎng)膜上有重疊的功能，即有一定強度的紅綠藍三色光同時作用在人眼的視網(wǎng)膜上的錐狀細胞時，會重疊出無色的亮度。 1.3.3 彩色三要素和三基色原理 1.彩色三要素 2.三基色 三基色原理: (1)三基色必須是相互獨立的,即其中任一種基色都不能由另外兩種基色混合而產(chǎn)生。 (2)自然界中的大多數(shù)顏色,都可以用三基色按一定比例混合得到。 亮度亮度紅、綠、藍。紅、綠、藍。色調(diào)色調(diào)色飽和度色飽和度 (3)三個基色的混合比例,決定了混合色的色調(diào)和飽和度。 (4)混合色的亮度等于構成該混合色的各個基色的亮度之和。 3

18、. 混色方法： 紅色+綠色= 紅色+藍色= 綠色+藍色= 紅色+綠色+藍色= （15）黃色紫色青色白色圖126 相加混色圓圖 為什么要選紅綠藍作為三基色？ 在電視系統(tǒng)中實現(xiàn)相加混色主要有如下兩種方法: (1) 空間混色法。（空間混色法。（ PLA 、NTSC制）制） (2) 時間混色法。 （SECAM制） 4.色度三角形 三基色混合所產(chǎn)生的各種顏色,可以由色度三角形表示,如下圖。圖127 色度三角形黃紅黃紅紫藍紫藍 1.3.4 計色制及色度圖 1.配色實驗 配色實驗是通過比色來進行的（如下圖）。 從基色調(diào)節(jié)裝置上分別讀出各個基色的數(shù)量,由此可寫出配色方程式： 彩色光通量：F=R(R)+G(G)

19、+B(B） (16)圖128 配色實驗示意圖 對于標準白光源E, R=G=B=1個單位， 即： FE白（彩色光通量）=1(R)+1(G)+1(B) 其光通量數(shù)值（發(fā)光強度）為: FE白=11+14.5907+10.0601=5.6508 lm (17) 2. 計色制及色度圖 XYZ計色制及其色度圖 在XYZ計色制中，人為設想的3個X、Y、Z基色代替R、G、B三基色，建立新的計算系統(tǒng)和色度圖。用該系統(tǒng)構成任意彩色光的配色方程為： F=X(X)+Y(Y)+Z(Z) X-系數(shù)，（X）-單位量 X、Y、Z和(X)、 (Y) 、(Z)要通過RGB計色制得到的數(shù)值進行換算（線性矩陣變換），最終由配色實驗得

20、到的數(shù)據(jù)，換算成x,y坐標值，得到色度圖。 “計算三基色”具有如下特點: 可根據(jù)F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)方程式配出實際顏色,且三個色系數(shù)X、Y、Z均不為負。 (X) 、(Y)、 (Z)并不代表實際顏色，只能由計算求得。 規(guī)定系數(shù)Y在數(shù)值上等于彩色光的亮度,而X、Z二個系數(shù)不包含亮度。 色度由三色系數(shù)的相對比例確定，當X=Y=Z =1時,配出等能白光E白。 色度與三基色系數(shù)的比例有關，也就是說，三個系數(shù)的大小決定了彩色光的色度。 這里引入三基色相對色度系數(shù)x、y、z。 設X+Y+Z= m, 則 x , y , z 分別為: XxmYymZzm(113) YmZmmX x +y+z = +

21、 + 1 這樣x,y,z的和等于1，并且其中只有兩個量是獨立的,故可在x-y平面直角坐標系中描繪出XYZ色度圖,亦稱CIE色度圖。(113) 圖130 XYZ色度圖 該色度圖具有如下特點: 舌形曲線全部位于第一象限,所有的單色光都位于舌形曲線上,舌形曲線稱為譜色軌跡,它們的飽和度均為100%,曲線旁注有單色光波長值。 舌形曲線上任一點與E白點的連線稱為等色調(diào)線。 不在同一等色調(diào)線上的任意兩點,表示兩種不同的顏色,可由作圖法求得，由這兩種顏色組成的全部混合色都處在這兩點的連線上，合成點的顏色強度與原兩點的距離成反比。 飽和度相同的彩色所對應的各點的連線稱為等飽和度線。 在譜色曲線內(nèi)任取三點對應的

22、彩色作基色(例如,圖中R1、G1、B1),則由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以這三點為頂點的三角形內(nèi)。 每一譜色（色度）均有x、y的坐標值與其對應。且y值還代表了相對的亮度。 3. 亮度方程 當顯像三基色和標準白光源選定后，即知道了它們在XYZ計色制的色度坐標。以C白光為標準白光源的NTSC制彩色電視制式, C白光和3種基色熒光粉在XYZ計色制的色度坐標是C白（0.310，0.316）、R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08）。經(jīng)線性矩陣變換可導出C白光源所代表的白色需要三種基色光的比例是： R：G：B = 0.299：0.587：0.114 那么亮度信號EY按同樣的比例構成： EY=0.299ER+0.587EG+0.14EB 為了書寫方便其亮度方程寫為： Y=0.3R+0.59G+0.11B (115) 以D65光為標準白光源的PAL制彩色電視制式,其亮度方程式為： Y=0.222R+0.707G+0.071B (116) 二者相差不大，PAL制也采用(115)式亮度方程進行分析計算。 亮度方程是彩色傳輸中的重要公式，亮度方程是彩色傳輸中的重要公式，無論是彩色重現(xiàn)還是彩色分解都遵循無論是彩色重