數(shù)字電視原理-數(shù)字電視中的模擬技術(shù)

1、1.1 三基色原理 1.2 亮度信號(hào)和色差信號(hào) 1.3 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào) 1.4 三大彩色電視制式 1.5 掃描成像原理 1.6 清晰度與分解力 1.7 圖像信號(hào)的最高頻率電視通道的頻帶寬度 1.8 電視信號(hào)的頻譜 習(xí)題 第1章 數(shù)字電視中的模擬域技術(shù)1.1 三 基 色 原 理自然界的景物萬紫千紅、五彩繽紛，利用彩色電視能生動(dòng)地、逼真地傳送和顯示這些景物圖像。由物理學(xué)可知，日光(白色光)可通過分光棱鏡分出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色的光。既然白色光可分成不同顏色的光，反過來，也可以用幾種不同顏色的光通過不同比例合成白色光。通過研究可知，只需三種顏色的光以不同比例就可以合成白色光。這三種顏色為紅

2、、綠、藍(lán)，稱為三基色。三基色除了能合成白色外，還可以不同比例合成萬紫千紅的其它顏色。這稱之為三基色原理。彩色電視中采用三基色光按不同比例相加而獲得不同彩色的方法，稱為相加混色法。例如: 紅色光+綠色光=黃色光 藍(lán)色光+紅色光=品紅色光(或稱紫色光) 綠色光+藍(lán)色光=青色光 紅、綠、藍(lán)三色光按一定比例相加=白色光上述只給出了相加混色法的一個(gè)概念，即利用三基色產(chǎn)生少數(shù)幾種顏色的方法，如圖1.1.1所示。圖 1.1.1 三基色光相加混色法原理1.2 亮度信號(hào)和色差信號(hào)1. 亮度信號(hào)通過研究可知，按三基色原理可得到亮度方程： Y=0.30R+0.59G+0.11B (1.2.1)該方程描述了采用相等的

3、三基色信號(hào)(R=G=B=1，即紅=綠=藍(lán)=1)，按式(1.2.1)比例就可以得到白色亮度信號(hào)。在彩色電視系統(tǒng)中，發(fā)送端由攝像管攝取圖像，接收端由顯像管顯示圖像。攝像機(jī)攝取黑白圖像時(shí)，其輸出的三個(gè)基色信號(hào)均相等。2. 色差信號(hào)在彩色廣播電視系統(tǒng)中為與黑白電視兼容(彩色電視機(jī)可接收黑白圖像)，彩色電視信號(hào)的帶寬應(yīng)與黑白電視一樣，即6 MHz(指我國(guó)電視制式)，所選用的傳輸信號(hào)并非三個(gè)基色信號(hào)(R、G、B)，而是經(jīng)過轉(zhuǎn)換成代表三個(gè)基本參量的新的傳輸信號(hào)(Y、RY、BY)，Y稱做亮度信號(hào)，RY、BY分別稱做兩個(gè)色差信號(hào)。也就是說，彩色電視系統(tǒng)也傳輸一個(gè)由亮度方程組成的亮度信號(hào)Y，而不是三個(gè)基色分量信號(hào)

4、(R、G、B)。另外，再選用兩個(gè)代表色度信息的信號(hào)色差信號(hào)RY、BY，在傳輸亮度信號(hào)(色調(diào)和飽和度)的同一頻帶內(nèi)傳送。三者的關(guān)系分別如下: Y=0.30R+0.59G+0.11B (1.2.2)RY=R(0.30R+0.59G+0.11B) =0.70R0.59G0.11B (1.2.3)BY=B-(0.30R+0.59G+0.11B) =0.30R0.59G+0.89B (1.2.4)在傳輸黑白圖像時(shí)，三個(gè)基色信號(hào)相等，即R=G=B，式(1.2.2)有值，而式(1.2.3)和式 (1.2.4)為零。也即只有亮度信號(hào)，無彩色的黑白圖像信號(hào)。這樣，如果保證Y信號(hào)的傳輸帶寬為6 MHz，而兩個(gè)色差

5、信號(hào)RY、BY的帶寬分別為1.5 MHz，并選用同一個(gè)彩色副載波(正弦)頻率分別正交調(diào)制在它之上，使其頻譜落入亮度信號(hào)6 MHz之內(nèi)，并設(shè)法不干擾亮度信號(hào)，這就做到了三個(gè)信號(hào)Y、RY、BY的總帶寬仍為6 MHz。這比分別傳輸R、G、B信號(hào)(每信號(hào)帶寬均為6 MHz，總帶寬為 18 MHz) 大大節(jié)約了傳輸帶寬。亮度信號(hào)Y選用6 MHz帶寬，兩個(gè)色差信號(hào)RY、BY分別選用1.5 MHz帶寬是考慮了人眼的視覺特性，因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度細(xì)節(jié)分辨力高，對(duì)色度細(xì)節(jié)分辨力低。在接收端，為了恢復(fù)重現(xiàn)圖像所需的三基色信號(hào)，由Y、RY、BY可導(dǎo)出如下等式： GY=G(0.30R+0.59G+0.11B)=0.30R+

6、0.41G0.11B = (1.2.5)然后再將三個(gè)色差信號(hào)分別與亮度信號(hào)相加，就得到三個(gè)基色信號(hào)，即 (RY)+Y=R (1.2.6) (B Y)+Y=B (1.2.7) (G Y)+Y=G (1.2.8)將這三個(gè)信號(hào)(R、G、B)傳輸?shù)斤@像管上，就可顯示彩色圖像了。下面舉例說明不同顏色時(shí)亮度信號(hào)與色差信號(hào)值的情況。(1) 黑白圖像。我們知道，相等的三個(gè)基色信號(hào)(R=G=B=1)使顯像管顯示白色光，攝像機(jī)攝取黑白圖像時(shí)，其輸出的三個(gè)基色信號(hào)均相等。在攝取最亮的白色光(即峰值白色光)時(shí)，設(shè)R=G=B=1，則Y=0.30+0.59+0.11=1 (1.2.9)這表示顯示亮度最強(qiáng)的白色光。對(duì)于亮度

7、較低的白色光(或稱灰色光)，設(shè)R=G=B=1，則 Y=0.30+0.59+0.11= 1 (1.2.10) 當(dāng)傳輸彩色圖像時(shí)，在一般情況下，三個(gè)基色信號(hào)R、G、B的電壓各不相同，若三個(gè)值都不為零，則說明該彩色是非飽和色，因?yàn)槠渲斜厝话上嗟鹊娜齻€(gè)基色量混配出的白色光成分。(2) 飽和黃色光。設(shè) R=E、G=E，而B=0，則按式(1.2.2)式(1.2.4)，發(fā)送端發(fā)出的三個(gè)信號(hào)分別為 Y=0.30E+0.59E=0.89E (1.2.11) RY=E0.89E=0.11E (1.2.12) BY=00.89E=0.89E (1.2.13)在接收端，當(dāng)用彩色電視機(jī)收看時(shí)，通過線性組合可恢復(fù)出原

8、基色信號(hào)電壓，即有 R=(RY)+Y=0.11E+0.89E=E (1.2.14) B=(BY)+Y=0.89E+0.89E=0 (1.2.15) G=(GY)+Y=0.51(RY)0.19(BY)+Y =-0.510.11E0.19(0.89E)+0.89E=E (1.2.16)從式(1.2.14)式(1.2.16)可以看出接收端信號(hào)得到了還原，還可以看出在該彩色中不含有白色光成分，它只含等量的紅色光和綠色光成分，這兩種顏色的光相加混色顯示出飽和黃色光。當(dāng)用黑白電視機(jī)收看時(shí)，如果亮度信號(hào)為E，相當(dāng)于峰值白色光，則亮度信號(hào)為Y=0.89E，相當(dāng)于較暗的灰色。(3) 未飽和品紅色光(或稱紫色光)

9、。設(shè) R=E、G=0.2E、B=E，則發(fā)送端發(fā)出的三個(gè)信號(hào)分別為 Y=0.30E+0.590.2E+0.11E=0.53E (1.2.17) RY=E0.53E=0.47E (1.2.18) BY=E0.53E=0.47E (1.2.19)用彩色電視機(jī)收看時(shí)，恢復(fù)出三個(gè)基色信號(hào)：R=E、G=0.2E、B=E，它們可以正確重現(xiàn)原來的彩色。用黑白電視機(jī)收看時(shí)，亮度信號(hào)Y的值為0.53E，比峰值白色光顯得稍暗些，即為灰色光。綜上所述，當(dāng)色調(diào)相同而飽和度不同時(shí)，亮度也各不相同。1.3 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)是由彩條信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的一種測(cè)試信號(hào)，常用來對(duì)彩色電視系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整。用彩條信

10、號(hào)比用彩色測(cè)試卡方便，而且還可以免除由于攝像機(jī)等設(shè)備信號(hào)源的性能不理想而給測(cè)試帶來的影響。本節(jié)以標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)為例，給出亮度信號(hào)和色差信號(hào)的具體數(shù)據(jù)和波形。 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)是用電的方法形成的一種電信號(hào)。它可以在接收機(jī)或監(jiān)視器屏幕上顯示出八條等寬的豎條，其顏色自左至右依次為白、黃、青、綠、紫(或稱品紅)、紅、藍(lán)、黑，如圖1.3.1(a)所示。標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)可以有不同的規(guī)范，圖1.3.1(b)、(c)、(d)分別示出了一種規(guī)范的正極性彩條三基色信號(hào)波形圖。如果把它們與白條對(duì)應(yīng)的電平定為1，與黑條對(duì)應(yīng)的電平定為0，則這種規(guī)范的三基色信號(hào)的電平非1即0，由其顯示的彩色均為飽和色。例如，對(duì)應(yīng)自左至右第三條G=

11、B=1、R=0，顯示飽和青色; 第四條G=1、R=B=0，顯示飽和綠色; 第五條G=0、R=B=1，顯示飽和紫色(或稱品紅色)，等等。稱其為100%飽和度、100幅度(最大幅度) 彩條信號(hào)。在這種命名法中，三基色信號(hào)均指未經(jīng)校正的信號(hào)。圖 1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào) 由100%飽和度、100%幅度彩條三基色信號(hào)組成的亮度信號(hào)和色差信號(hào)的波形和數(shù)值見圖1.3.1(e)(g)。 如果三基色信號(hào)的最大值仍為1，而最小值為0.05，則不難算出在各基色和補(bǔ)色條中，均含有5%的白色光，因而稱其為95飽和度、100幅度彩條信號(hào)。此外，還可以有其它規(guī)范的彩條信號(hào)，例如100%飽和度、75%幅度彩條信號(hào)等。 標(biāo)準(zhǔn)

12、彩條信號(hào)還可以用四個(gè)數(shù)碼表示的命名法來命名，如100-0-100-0彩條、100-0-75-0彩條、 100-0-100-25彩條等。我國(guó)彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用100-0-75-0 彩條信號(hào)。此彩條原是歐洲廣播聯(lián)盟(European Broadcasting Union，EBU)提出并采用的，故又稱EBU彩條。在四數(shù)碼表示法中，各信號(hào)均指校正后的信號(hào)。每一數(shù)字表示相應(yīng)條的基色信號(hào)的百分比幅度，而基準(zhǔn)則是組成白條的這一基色信號(hào)幅度。第一和第二個(gè)數(shù)字分別表示組成無色條 (黑白條)的R、G、B的最大值和最小值，第三和第四個(gè)數(shù)字分別表示組成各彩色條的R、G、B的最大值和最小值。例如，若組成白條的基色

13、信號(hào)的幅度為100%，則100-0-75-0 彩條的各基色信號(hào)的值是這樣的：對(duì)應(yīng)白條有最大值1，對(duì)應(yīng)黑條有最小值0，對(duì)應(yīng)各彩色條有最大值0.75和最小值0。1.4 三大彩色電視制式前面提到為了減少彩色電視的傳輸帶寬，亮度信號(hào)以6MHz帶寬(我國(guó)標(biāo)準(zhǔn))傳送，而兩個(gè)色差信號(hào)分別以1.5 MHz帶寬信號(hào)調(diào)制在副載波上，其頻譜落入亮度信號(hào)6 MHz帶寬以內(nèi)，并對(duì)亮度信號(hào)不造成干擾。不同的副載波調(diào)制方式可產(chǎn)生不同的彩色電視制式。到目前為止，實(shí)際用于模擬彩色電視廣播的制式主要有NTSC、PAL和SECAM三種。這三種彩色電視制式都與黑白電視兼容。1. NTSC制NTSC(National Televisi

14、on Systems Committee，國(guó)家電視制式委員會(huì)) 制是1953年美國(guó)研制成功的一種兼容彩色電視的制式，又稱正交平衡調(diào)幅制。兼容制彩色電視除了傳送與黑白電視相同的亮度信號(hào)外，還要在同一頻帶內(nèi)傳送攜帶色度信息的色度信號(hào)。通過對(duì)亮度信號(hào)的頻譜分析得知，亮度信號(hào)的主要能量分布在通帶5.5 MHz (指NTSC制)的低端，利用這一特點(diǎn)，NTSC制把兩個(gè)色差信號(hào)(帶寬均為1.5 MHz)，對(duì)副載波(3.58 MHz正弦波)進(jìn)行正交平衡幅度調(diào)制，調(diào)制后的頻譜落入通帶5.5 MHz 的高端，對(duì)亮度信號(hào)基本不造成干擾。傳送黑白景像時(shí)，色差信號(hào)為零，若采用正交平衡幅度調(diào)幅方式就可使已調(diào)信號(hào)也為零，于

15、是不存在光點(diǎn)干擾。傳送低飽和度彩色景像時(shí)，已調(diào)副載波的幅度較小，在黑白電視機(jī)屏幕上光點(diǎn)干擾的可見度也較弱。但是，調(diào)制高頻端的副載波色差信號(hào)時(shí)，會(huì)不斷出現(xiàn)正峰點(diǎn)和負(fù)峰點(diǎn)，從而在黑白電視機(jī)屏幕上形成亮點(diǎn)、暗點(diǎn)形式的光點(diǎn)干擾，稱為副載波干擾。為了減少這種干擾，NTSC制除了采用平衡調(diào)幅方式外還采用了頻譜交錯(cuò)原理。1) 正交調(diào)制原理分析 下面我們來分析正交幅度調(diào)制的基本原理。為了用單一頻率的副載波(正弦波)傳送色度信息，NTSC色度信號(hào)由兩個(gè)色差信號(hào)分別對(duì)初相位為0和90的兩個(gè)相同頻率的副載波平衡調(diào)幅再混合而成。當(dāng)采用藍(lán)、紅色差信號(hào)時(shí)，色度信號(hào)可表示成(BY)sinsct+(R-Y)cossct (1

16、.4.1)式中，sc為副載波角頻率。NTSC正交調(diào)制方框圖如圖1.4.1所示。圖 1.4.1 NTSC正交調(diào)制方框圖在NTSC制接收機(jī)中，上述已調(diào)信號(hào)同時(shí)通過兩個(gè)同步檢波器，分別被初相位為0和90的兩個(gè)解調(diào)副載波檢波。因?yàn)橥綑z波器有以下特點(diǎn)：對(duì)與解調(diào)副載波有90相位差的已調(diào)信號(hào)分量無檢波輸出，而只對(duì)與解調(diào)副載波同相的已調(diào)信號(hào)分量有檢波輸出，輸出信號(hào)正比于這一分量所反映的調(diào)制信號(hào)。所以可由兩個(gè)檢波器分別獲得BY和RY信號(hào)?？山忉屓缦拢瑢sc sinsct與式(1.4.1)相乘，得到 (1.4.2)如果通過低通濾波器消除上述信號(hào)中的2sc分量，則只剩下BY信號(hào)，而沒有RY信號(hào)。同理可證，將Es

17、c cossct與式(1.4.1)相乘后消除2sc分量，則只剩下RY信號(hào)，而沒有BY信號(hào)。所乘系數(shù)不難通過電路增益來補(bǔ)償。同步檢波方框圖如圖1.4.2所示。圖 1.4.2 NTSC同步檢波方框圖可見，正交平衡調(diào)幅于副載波上的兩個(gè)色差信號(hào)可由解調(diào)副載波相位相互正交的兩個(gè)同步檢波器分別解調(diào)取得。因此，正交平衡調(diào)幅和正交同步檢波是NTSC制為用一個(gè)副載波傳送色度信息而采取的主要技術(shù)措施。 由式(1.4.1)描述的色度信號(hào)及其兩個(gè)平衡調(diào)幅波分量也可以用矢量圖來表示，如圖1.4.3所示。圖中用水平和垂直矢量分別表示兩個(gè)相互正交的已調(diào)信號(hào)分量。矢量長(zhǎng)度代表副載波的瞬時(shí)振幅(其變化規(guī)律反映調(diào)制信號(hào))，矢量取

18、向反映副載波的初相位。于是，合成矢量就代表整個(gè)色度信號(hào)，其模和幅角的計(jì)算公式如下： (1.4.3) (1.4.4)顯然，當(dāng)RY、BY改變時(shí)，合成矢量的模和幅角均將變化。這說明NTSC色度信號(hào)既是調(diào)幅波又是調(diào)相波。在圖1.4.3中還用Dx軸和Dy軸分別表示兩個(gè)同步檢波器的0和90相位的解調(diào)副載波，取合成矢量在Dx軸上的投影(Dx軸的同相分量)即得0相位的同步檢波輸出BY; 取合成矢量在Dy軸上的投影(Dy軸的同相分量)即得90相位的同步檢波輸出RY。圖 1.4.3 兩個(gè)平衡調(diào)幅波分量矢量圖以上分析表明，為了實(shí)現(xiàn)色度信號(hào)的解調(diào)分離必須給同步檢波器輸入一個(gè)與被檢波分量精確同步(同相)的副載波。為此，

19、在NTSC制編碼器中專門產(chǎn)生一個(gè)色同步信號(hào)來傳送同步檢波所需副載波的相位信息。圖1.4.4給出了NTSC制的色同步信號(hào)波形圖。它實(shí)際上是每行一個(gè)的副載頻脈沖信號(hào)，出現(xiàn)在行消隱期間的行同步脈沖之后，而在場(chǎng)消隱期間則不傳送。每一脈沖約包含9個(gè)周期的副載波，其相位為180。若以eb(t)表示色同步信號(hào)，而以K(t)表示其接近矩形的包絡(luò)脈沖(稱為旗形脈沖或K脈沖)，則有eb(t)=K(t)sin(sct+180) (1.4.5)圖 1.4.4 色同步信號(hào)波形圖在接收機(jī)中，利用門電路取出色同步信號(hào)，然后通過晶體濾波器或鎖相振蕩器恢復(fù)確定相位的副載波，再經(jīng)移相，形成兩個(gè)相互正交的副載波分量。2) 壓縮系數(shù)

20、 根據(jù)給定的彩條信號(hào)參數(shù)，利用亮度信號(hào)計(jì)算公式Y(jié)=0.30R+0.59G+0.11B和式 (1.4.3)，不難計(jì)算出每一彩色條的亮度信號(hào)、色度信號(hào)以及由它們疊加形成的復(fù)合信號(hào)的數(shù)值。表1.4.1給出了100-0-100-0彩條的計(jì)算值。由表中所列復(fù)合信號(hào)的數(shù)值可以看出：黃條和青條的最大值分別超過白色電平78%和46%，而紅條和藍(lán)條的最小值又分別比黑色電平低46%和78%，這會(huì)大大超過放大器的動(dòng)態(tài)范圍。顯然，用這樣的視頻信號(hào)對(duì)圖像載波調(diào)幅將引起嚴(yán)重的過調(diào)制。因此，為使已調(diào)信號(hào)不超過規(guī)定的界限，同時(shí)也為改善兼容效果，必須限制色度信號(hào)的峰值幅度。通常規(guī)定，在100-0-100-0彩條信號(hào)情況下，取峰

21、值白色電平與黑色電平差為1，圖像信號(hào)的最大擺動(dòng)范圍不得超過峰值白色電平和黑色電平以外0.33。也就是說，復(fù)合信號(hào)的最大擺動(dòng)范圍限制在-0.33+1.33之間。為此，分別按系數(shù)kb和kr(均小于1)來壓縮色差信號(hào)BY和RY的幅度，這兩個(gè)系數(shù)稱為壓縮系數(shù)。壓縮后的信號(hào)分別用U和V表示，即U=kb(BY) (1.4.6)V=kr(RY) (1.4.7)為了計(jì)算壓縮系數(shù)，可選擇彩條中不為互補(bǔ)色的兩條(例如黃、青或紅、藍(lán)等)，按上述規(guī)定界限建立聯(lián)立方程(若為互補(bǔ)色，則兩個(gè)方程將不是相互獨(dú)立的)。若取黃、青條計(jì)算，則有以下聯(lián)立方程: (1.4.8) (1.4.9)將表1.4.1中所列有關(guān)數(shù)值代入上述兩個(gè)方

22、程，可解得 (1.4.10)于是 (1.4.11) (1.4.12)而色度信號(hào)的時(shí)間函數(shù)表示式為FC(ec(t)=u(t)+v(t)=U(t)sinsct+V(t)cossct =C sin(sct+) (1.4.13)式中， (1.4.14)3) 波形圖和矢量圖根據(jù)式(1.4.8)式(1.4.12)以及表1.4.1中的有關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出在100-0-100-0彩條信號(hào)情況下經(jīng)壓縮后的色差信號(hào)數(shù)值、色度信號(hào)的振幅和相角以及復(fù)合信號(hào)的數(shù)值，見表1.4.2。由此可畫出色度信號(hào)兩分量矢量圖(見圖1.4.3)和彩色全電視信號(hào)的波形圖(見圖1.4.5)。注意，圖1.4.5中所標(biāo)數(shù)值均是以峰值白色與黑色電

23、平差作為1時(shí)的相對(duì)值，而非編碼器輸出信號(hào)的實(shí)際電平值，且所有數(shù)字均取到小數(shù)點(diǎn)后兩位。另外，圖1.4.5 中還畫出了色同步信號(hào)eb和行同步脈沖，圖1.4.5(d)和(e)均為正極性波形。圖 1.4.5 100-0-100-0彩條信號(hào)經(jīng)壓縮后的色差信號(hào)數(shù)值、色度信號(hào)、彩色全電視信號(hào)的波形圖(a) U信號(hào); (b) V信號(hào); (c) ec+eb信號(hào); (d) Y信號(hào); (e) 彩色全電視信號(hào)對(duì)于100-0-75-0彩條，表1.4.2中各信號(hào)的幅度除白條外均將乘以0.75，而色度信號(hào)相角的數(shù)值則不變，此時(shí)彩色全電視信號(hào)黃、青條的最大值將為1.380.75=1.0，即與白條為同一電平。圖1.4.6是對(duì)應(yīng)

24、于表1.4.2中彩條信號(hào)的矢量圖。由圖1.4.6可以看出，紅色矢量并非正好與縱軸(紅色差軸)重合，藍(lán)色矢量也并非正好與橫軸(藍(lán)色差軸)重合。也就是說，紅彩條色度信號(hào)除包含較大的紅色差分量外，還包含較小的藍(lán)色差分量; 而藍(lán)彩條色度信號(hào)則包含較大的藍(lán)色差分量和較小的紅色差分量。由圖1.4.6還可看出，補(bǔ)色矢量與相應(yīng)基色矢量互為反相。因此，只要知道紅、綠、藍(lán)三基色色度信號(hào)的相角，就不難推算出青、紫、黃三個(gè)補(bǔ)色色度信號(hào)的相角。圖 1.4.6 基色與補(bǔ)色的色度信號(hào)矢量位置對(duì)上述三基色和三補(bǔ)色而言，當(dāng)色調(diào)不變而飽和度改變時(shí)，色度信號(hào)的振幅將隨之改變而相角卻保持不變。這是因?yàn)?，?duì)這六種顏色來講，在R、G、B

25、三個(gè)值中必有兩個(gè)是相等的。由此可以證明，V和U的值以及由其決定的色度信號(hào)的相角將不隨混入白色光的多少而改變。例如，設(shè)任意飽和度紅色條的三基色信號(hào)分別為R、G、B，且G=B=，則Y=0.30R+0.70RY=0.70(R)BY=0.30(R)顯然，V、U的大小均由R決定，因而色度信號(hào)的振幅將隨飽和度而改變。但是，在求V和U的比值時(shí)，因子R將被約去，所以不論為多少，紅色條色度信號(hào)的相角恒定不變。再如，設(shè)任意飽和度青色條的三基色信號(hào)分別為R、G、B，且G=B，則可導(dǎo)出RY=0.70(B)BY=0.30(B)可見，V和U的比值同樣不受的影響。對(duì)于其它任意顏色，三個(gè)基色信號(hào)的數(shù)值各不相同。因?yàn)橥瑯哟笮〉?/p>

26、三個(gè)基色信號(hào)將產(chǎn)生白色光，所以最小基色信號(hào)的數(shù)值決定白色光的多少，而兩個(gè)較大基色信號(hào)與最小基色信號(hào)之差的比值決定色調(diào)。如果飽和度改變而色調(diào)不變，那么最小信號(hào)必有增減，而其它信號(hào)的改變應(yīng)保持兩個(gè)較大信號(hào)與最小信號(hào)之差的比值不變。例如，設(shè)藍(lán)基色信號(hào)為最小且有變化，為保持色調(diào)不變，RB和GB的比值應(yīng)不變。通過進(jìn)一步推導(dǎo)，容易證明RY 和BY的比值也不變。于是可得出結(jié)論，V和U的比值以及由其決定的色度矢量的相角將不隨飽和度的改變而改變。事實(shí)上，不論哪個(gè)基色信號(hào)為最小，都能得出同樣的結(jié)論。2. PAL制PAL(Phase Alternation Line)制是1962年在西德(在當(dāng)時(shí)，東、西德未統(tǒng)一)研

27、制出來的一種彩色電視制式，又稱逐行倒相正交平衡調(diào)幅制。它是在NTSC制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也采用正交平衡調(diào)幅。不同的是，PAL制使一個(gè)已調(diào)色差信號(hào)分量U sinsct維持不變，而將另一個(gè)已調(diào)色差信號(hào)分量V cossct進(jìn)行逐行倒相。即當(dāng)傳送第n行時(shí)為+V cossct，傳送第n+1行時(shí)為V cossct，傳送第n+2行時(shí)又為V cossct，如此逐行交替?zhèn)魉汀?) PAL制調(diào)制原理分析PAL制的已調(diào)色度信號(hào)為 (1.4.15)式中,g(t)是一個(gè)逐行取+1和-1的開關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式為 (1.4.16)其中，TH表示行周期; n表示行數(shù)，為正整數(shù)。壓縮后的PAL制100彩條信號(hào)矢量圖如圖1.4.

28、7所示，其中虛線為PAL行的色度信號(hào)矢量，實(shí)線為NTSC行的色度信號(hào)矢量。由圖1.4.7可知，在相同信號(hào)源的情況下，NTSC行的色度信號(hào)矢量和PAL行的色度信號(hào)矢量以U軸對(duì)稱，并且幅度相等。在接收端，為檢出正確的V信號(hào)，必須使送入V信號(hào)同步檢波器的副載波相位也和發(fā)送端一樣進(jìn)行逐行倒相，檢波以后的V信號(hào)就恢復(fù)為原狀態(tài)，相當(dāng)于圖1.4.7中的PAL行又回到了NTSC行的位置(這里指在無相位失真的情況下)。圖 1.4.7 壓縮后的PAL制100彩條信號(hào)矢量圖2) 相位誤差失真的補(bǔ)償PAL制的最大優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償相位誤差所造成的失真。設(shè)傳送紅色信號(hào)，第n行色度信號(hào)矢量為C(n)=U sinsct+V co

29、ssct因?yàn)橹鹦械瓜?，則第n+1行所傳送的已調(diào)色度信號(hào)矢量變?yōu)镃(n+1)=U sinsct-V cossct也就是說，若C(n)在第一象限，則C(n+1)就在第四象限，成為C(n)的鏡像矢量?？梢韵胂螅趎+2行時(shí)，C(n+1)又回到第一象限，與C(n)重合。這樣，彩色矢量就在第一、四象限逐行來回?cái)[動(dòng)。這是無相位失真時(shí)的情況，如圖1.4.8所示。圖 1.4.8 PAL制相位失真的補(bǔ)償設(shè)傳送過程中產(chǎn)生相位失真，第n行的彩色矢量C(n)向V軸靠近了的角度，變成了矢量C(n)。C(n)代表紫色，則C(n)為紫偏紅色。由于相鄰兩行的相位失真基本相同，因此第n+1行的彩色矢量C(n+1)將向U軸靠近的

30、角度，變成矢量C(n+1)。在接收端色度信號(hào)的解調(diào)過程中，C(n+1)被倒相，變?yōu)榈谝幌笙薜腃(n+1)。顯然，C(n+1)與C(n)也偏離的角度(C(n+1)比C(n)落后)，其色調(diào)為紫偏藍(lán)色。如果將相鄰兩行所傳送的色度信號(hào)C(n)和C(n+1)進(jìn)行平均，就能使相鄰兩行有相反方向色調(diào)畸變的色度信號(hào)相互補(bǔ)償，得到無色調(diào)畸變的紫色，見圖1.4.8。要將相鄰兩行所傳送的色度信號(hào)進(jìn)行平均，最簡(jiǎn)單的方法是利用人眼的視覺特性。雖然在色度信號(hào)的傳送過程中相鄰兩行上的信號(hào)不是同時(shí)出現(xiàn)的，但由于相鄰兩行的間隔時(shí)間很短，利用人眼的視覺特性，就可把在空間上和時(shí)間上相鄰兩行的色度信號(hào)平均起來(稱之為“混色”)，得到

31、原來的色調(diào)。例如：第n行呈現(xiàn)的顏色是紫偏紅，第n+1行呈現(xiàn)的顏色是紫偏藍(lán)，兩行平均后，在人眼中就產(chǎn)生了紫色視覺。雖然這種平均的辦法簡(jiǎn)單，在相位失真不大時(shí)，可以得到較好的效果，但當(dāng)相位失真較大時(shí)，平均效果就大大減小。同時(shí)，當(dāng)較大時(shí)，由于顯像管的非線性，在恒定亮度原理有些失效的情況下，色度信號(hào)的相位畸變會(huì)引起亮度的改變。相鄰兩行的亮度變化較大時(shí)，在圖像中將出現(xiàn)明暗交替的水平條紋和爬行現(xiàn)象，使圖像質(zhì)量變壞。針對(duì)上面提到的問題，較完善的平均方法是采用延時(shí)線，把兩行的信號(hào)加以平均。具體方法是，將第n行的色度信號(hào)延遲64 s后，與第n+1行的色度信號(hào)進(jìn)行平均，同時(shí)第n+1行的色度信號(hào)也延遲64 s，以便與

32、第n+2行的色度信號(hào)平均。由圖1.4.8可知，第n+1 行所得到的平均矢量為 (1.4.17)上式是矢量相加，矢量Cs的方向與無失真矢量C(n)的方向完全相同，只是其幅度比C(n)略小。這說明色調(diào)沒有發(fā)生畸變，僅飽和度有所下降。因此，這個(gè)平均作用把嚴(yán)重的色調(diào)畸變變?yōu)槿搜鄄幻舾械娘柡投然?，在很大程度上克服了NTSC制色調(diào)易發(fā)生畸變的缺點(diǎn)。3) 彩色副載頻的選擇為了滿足兼容的要求，使在同樣的黑白電視帶寬內(nèi)傳送彩色電視信號(hào)，對(duì)彩色電視來說，亮度信號(hào)和色度信號(hào)必須共用相應(yīng)黑白制式的同一頻帶傳送。但這樣做有可能出現(xiàn)亮度信號(hào)和色度信號(hào)之間的相互串?dāng)_現(xiàn)象。為了減少這種干擾，除了采用平衡調(diào)幅以及根據(jù)標(biāo)稱視頻

33、帶寬和色度信號(hào)頻帶選用盡可能高的副載頻以外，還可以精確選定副載頻以實(shí)現(xiàn)亮度信號(hào)和色度信號(hào)的頻譜交錯(cuò)，這也是各種彩色電視制式采用的一個(gè)有效措施。(1) NTSC制副載頻的選擇。由于電視圖像信號(hào)是通過逐行、逐場(chǎng)和逐幀掃描形成的，因而其頻譜中的能量集中分布在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內(nèi)，頻譜呈現(xiàn)為在上述各頻率處的一簇簇譜線的形式。每一譜線群包含一根處在整數(shù)倍行頻處的主頻譜線和以場(chǎng)頻及幀頻為間隔分布于其兩側(cè)的一對(duì)對(duì)副頻譜線，如圖1.4.9中黑尖峰及其放大后的附圖所示。對(duì)于靜止圖像，因?yàn)橄嗬^各幀的所有細(xì)節(jié)都重復(fù)出現(xiàn)，所以這種譜線群結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得十分明顯。對(duì)于細(xì)節(jié)經(jīng)常變化的一般圖像，頻譜結(jié)構(gòu)將變得

34、復(fù)雜得多，但仍然表現(xiàn)為有較大空隙間隔的、相對(duì)集中的譜線群分布。所以，通過精確選定副載頻，可使色度信號(hào)的各譜線群正好插在亮度信號(hào)各譜線群的中間，這就是頻譜交錯(cuò)原理。與亮度信號(hào)類似，色差信號(hào)的頻譜也具有以行頻fH為間隔的譜線群結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)副載波平衡調(diào)幅而形成已調(diào)信號(hào)時(shí)，發(fā)生了頻譜遷移，各譜線群出現(xiàn)在副載頻fsc處及fscnfH (n為正整數(shù))處。顯然，只要將fsc精確地選在兩個(gè)相鄰的整數(shù)倍行頻的正中間，兩個(gè)色度信號(hào)分量的各譜線群就正好都插在亮度信號(hào)各譜線群的中間，也就是實(shí)現(xiàn)了色度信號(hào)和亮度信號(hào)的頻譜交錯(cuò)。圖1.4.9中黑尖峰代表亮度信號(hào)譜線群，白尖峰代表色度信號(hào)譜線群。圖 1.4.9 頻譜交錯(cuò)原理將

35、副載頻選成與整數(shù)倍行頻相差半行頻(即副載頻等于半行頻的奇數(shù)倍)，稱為半行頻偏置或12偏置?？紤]到可能出現(xiàn)伴音載波與副載波的差拍干擾，還要求兩者的差頻也等于半行頻的奇數(shù)倍。對(duì)于525行、60場(chǎng)的黑白電視M制，行頻為15 750 Hz(半行頻為7875 Hz)，場(chǎng)頻為60 Hz, 伴音載頻距圖像載頻4.5 MHz。若以此為基礎(chǔ)，選擇NTSC制的副載頻應(yīng)該為fsc=4557875=3 583 125 Hz, 伴音載頻比圖像載頻高 (455+117)7875=4 504500Hz，將會(huì)給原有接收機(jī)帶來不良影響。因此，由黑白電視M制導(dǎo)出的NTSC制，行頻fH改為 15 734.264 Hz。此時(shí)伴音載頻

36、比圖像載頻高，與4.5MHz非常接近。而副載頻 (1.4.18)但場(chǎng)頻，與60 Hz稍有差別。對(duì)于625行、50場(chǎng)的NTSC制，行頻fH=15 625 Hz，場(chǎng)頻fV=50 Hz，副載頻選為 (1.4.19)當(dāng)伴音載頻與圖像載頻之差為5.5、6.0或6.5 MHz時(shí)，伴音載頻與副載頻之差均為半行頻的奇數(shù)倍，分別為137、201和265倍。(2) PAL制副載頻的選擇。在PAL制中，由于V信號(hào)的副載波是逐行倒相的，因此PAL制的頻譜不同于NTSC制的頻譜。由前面的分析知道，PAL制色度信號(hào)表達(dá)式為C=U sinsct+g(t)V cossct (1.4.20)式中：第一項(xiàng)U sinsct和NTS

37、C制的相同，因此已調(diào)U信號(hào)的頻譜與NTSC制的相同; 第二項(xiàng)g(t)V cossct相當(dāng)于用V信號(hào)去調(diào)制一個(gè)逐行倒相的副載波g(t)cossct，g(t)cossct可看做是方波g(t)對(duì)副載波的平衡調(diào)幅。下面先分析方波g(t)的頻譜。 g(t)的表達(dá)式為 (1.4.21)用傅里葉級(jí)數(shù)將g(t)展開，得 (1.4.22)式中： H為行掃描角頻率。由式(1.4.22)可知，g(t)的頻譜是由半行頻的奇數(shù)倍構(gòu)成的，基波為，其次是衰減很快的各奇次諧波等。由平衡調(diào)幅波的頻譜特點(diǎn)可知，在副載波fsc被g(t)平衡調(diào)幅后，其頻率成分為上、下兩個(gè)邊頻，即等。由此可見，若載波fsc仍取半行頻的奇數(shù)倍(即取)，

38、則必然是fH的整數(shù)倍。這樣，已調(diào)V信號(hào)的頻譜將與亮度信號(hào)的頻譜重合在起，從而產(chǎn)生色度信號(hào)V和亮度信號(hào)Y之間的嚴(yán)重串?dāng)_。對(duì)于彩色接收機(jī)，由于V信號(hào)中混進(jìn)了亮度信號(hào)，熒光屏上將產(chǎn)生由亮度信號(hào)引起的虛假彩色。而用黑白電視機(jī)接收彩色節(jié)目時(shí)，由于V信號(hào)副載波的干擾，熒光屏上將出現(xiàn)明顯的亮暗相間的垂直條紋，影響圖像質(zhì)量。 為避免V信號(hào)和亮度信號(hào)的串?dāng)_，在PAL制中，彩色副載頻fsc不采用半行頻間置，而采用行頻間置，即選彩色副載頻為，一般取n=284，所以有。這樣，已調(diào)色度信號(hào)V和U的主譜線和亮度信號(hào)的主譜線相差，并分別插在亮度信號(hào)譜線的兩邊，如圖1.4.10所示。圖 1.4.10 PAL制1/4行頻間置頻

39、譜采用1/4行頻間置后，雖然減少了V信號(hào)和Y信號(hào)的相互串?dāng)_，但不能完全消除彩色副載波對(duì)亮度信號(hào)的串?dāng)_。這種串?dāng)_在圖像上形成黑白相間的亮暗點(diǎn)干擾，副載波的峰點(diǎn)形成亮點(diǎn)，谷點(diǎn)形成暗點(diǎn)。當(dāng)fsc采用時(shí)，在一行中會(huì)有個(gè)周期的副載波。因一行中所含的副載波周期數(shù)不是整數(shù)，所以相鄰兩行的亮點(diǎn)不對(duì)齊，相差1/4個(gè)載波周期，這會(huì)在整個(gè)屏幕上形成明暗相間的斜線干擾條紋，而且這些條紋以很低的速度爬行。這種低速移動(dòng)的斜亮線對(duì)人眼刺激是較大的。為了克服這種斜線爬行干擾，PAL制進(jìn)一步采用了25 Hz偏置(半場(chǎng)頻)的方法，即選副載頻為 (1.4.23)由上式可推算，行掃描周期TH與副載波周期Tsc的關(guān)系為 (1.4.24

40、) 式(1.4.24)表明，采用25 Hz偏置后，每一掃描行內(nèi)包含了個(gè)副載波周期，一場(chǎng)內(nèi)多包含了半個(gè)副載波周期。這樣，相鄰兩場(chǎng)的亮、暗點(diǎn)就被錯(cuò)開，起到相消的作用，提高了兼容性。 為了達(dá)到良好的兼容質(zhì)量，副載波的振蕩頻率應(yīng)嚴(yán)格保證為fsc=4.433 618 75 MHz。通常其精度為15 Hz，最大變化速率為0.1 Hz/s，一般采用晶體振蕩器。3. SECAM制SECAM制是法國(guó)工程師亨利弗朗斯于1956年提出的，也是為了克服NTSC制的相位敏感性而研制的。SECAM制采用逐行依次傳送兩個(gè)色差信號(hào)RY和BY，因而在同一時(shí)間內(nèi)在傳輸通道中只有一個(gè)信號(hào)存在，不會(huì)發(fā)生互串現(xiàn)象。所以，SECAM制是

41、用錯(cuò)開傳輸時(shí)間的辦法(時(shí)分原則)來避免串色及由此造成的彩色失真。SECAM制的亮度信號(hào)仍是每行都傳送。SECAM制是一種順序-同時(shí)制。在接收端如果沒有同時(shí)存在的Y、RY和BY信號(hào)，是無法恢復(fù)重現(xiàn)彩色圖像所必需的R、G和B信號(hào)的。因此，SECAM解碼器利用延遲線將收到的信號(hào)儲(chǔ)存一行時(shí)間，以便每傳送一行色差信號(hào)可以使用兩次。在被傳送的一行使用一次，在未被傳送的下一行，將儲(chǔ)存在延遲線中的信號(hào)再利用一次。這樣，正好補(bǔ)充少發(fā)的那一行色差信號(hào)。顯然，延遲線的延遲時(shí)間應(yīng)等于行周期64 s。有關(guān)SECAM制更加詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參考彩色電視原理書籍，在此不詳述。1.5 掃描成像原理電視圖像的攝取與重現(xiàn)，即光和電的互

42、相轉(zhuǎn)換是由攝像管和顯像管來完成的。把作為空間與時(shí)間函數(shù)的光信息(即光像)變換成只以時(shí)間函數(shù)來表示的電信息和把作為時(shí)間函數(shù)的電信息再轉(zhuǎn)換成一幅平面圖像(光信息)，都是通過電子束掃描來完成的。這種將圖像上各像素的光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)轫樞騻魉偷碾娦盘?hào)的過程，以及將這些順序傳送的電信號(hào)再重現(xiàn)為光學(xué)圖像的過程(即圖像的分解與復(fù)合過程)，稱為掃描。在攝像管或顯像管中，電子束按一定規(guī)律在攝像管的靶面上或顯像管的熒光屏上運(yùn)動(dòng)，就可以完成攝像或顯像的掃描過程。按電子束的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，掃描可分為直線掃描、圓掃描、螺旋掃描等。但在電視系統(tǒng)中，為了充分利用矩形屏幕，并使掃描設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠，可采用勻速單向直線掃描方式。本節(jié)主要介

43、紹逐行掃描、隔行掃描等內(nèi)容。1. 逐行掃描 在電子電視系統(tǒng)中，在攝像管與顯像管外面，都裝有行與場(chǎng)兩對(duì)偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過行、場(chǎng)鋸齒波掃描電流(如圖1.5.1(a)所示，其中TH為行掃描周期，TF為幀掃描周期)， 同時(shí)產(chǎn)生水平方向與垂直方向的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在這兩個(gè)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的共同作用下，電子束就在攝像管的靶面上或顯像管的熒光屏上作勻速直線掃描，這種一行緊跟一行的掃描方式稱為逐行掃描。電子束在靶面上或者屏幕上的掃描曲線稱為掃描光柵。使電子束按照指定方式進(jìn)行掃描的設(shè)備稱為掃描發(fā)生器。圖1.5.1(b)為逐行掃描光柵示意圖。光柵形狀為矩形，根據(jù)人眼視覺特性，現(xiàn)行光柵幅型比(寬高比)定為43，HDTV的幅

44、型比定為169。圖 1.5.1 逐行掃描(a) 行鋸齒波掃描電流、場(chǎng)鋸齒波掃描電流; (b) 逐行掃描光柵2. 隔行掃描人眼有一定的視覺惰性和分辨能力，假若在不產(chǎn)生亮度閃爍感覺并保證有足夠清晰度的情況下，場(chǎng)掃描頻率須在48 Hz以上，掃描行數(shù)須在500以上。根據(jù)這些指標(biāo)計(jì)算出的電視圖像信號(hào)的頻帶是很寬的，會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化。若為減小圖像信號(hào)頻帶而將場(chǎng)掃描頻率降低，則將引起閃爍現(xiàn)象，易使觀眾不適并感到疲勞，若減少行數(shù)，則會(huì)引起圖像清晰度下降。于是在這里提出了隔行掃描方式，使上述問題得到較妥善地解決。隔行掃描方式是將一幀(或稱一幅)電視圖像分成兩場(chǎng)進(jìn)行掃描(從上至下為一場(chǎng)，第一場(chǎng)掃出光柵的第1、3、5

45、、7等奇數(shù)行，第二場(chǎng)掃出光柵的第2、4、6、8等偶數(shù)行，并把掃奇數(shù)行的場(chǎng)稱為奇數(shù)場(chǎng)，掃偶數(shù)行的場(chǎng)稱為偶數(shù)場(chǎng)。這樣，每一幀圖像經(jīng)過兩場(chǎng)掃描，所有像素就可全部掃完。假如每秒傳送25幀圖像，那么每秒掃描50場(chǎng)，即場(chǎng)頻為50 Hz，亮度閃爍現(xiàn)象可不出現(xiàn)。正如放映電影那樣，每秒放24張影片，每張影片曝光兩次，結(jié)果每秒閃光48次，恰好高于人眼的臨界閃爍頻率，從而使觀眾沒有閃爍感覺。在隔行掃描方式中，引用了幀頻這一概念。電子束從屏幕最上邊一行的左端掃到最下邊一行的右端，又返回最上邊一行的始端，就完成了一個(gè)場(chǎng)掃描周期TV，場(chǎng)頻fV1TV。將一幀圖像全部掃描完畢所需時(shí)間稱為幀掃描周期，并用TF表示。顯然，在逐行

46、掃描方式中，場(chǎng)掃描周期與幀掃描周期相同，而在隔行掃描方式中，幀掃描周期是場(chǎng)掃描周期的兩倍，即TF=2TV，幀掃描頻率fF1TFfV/2。所以隔行掃描可使幀頻下降為場(chǎng)頻的一半。同樣，行掃描頻率也降低到逐行掃描時(shí)的一半，結(jié)果使信號(hào)頻帶也減小一半。但每幀畫面掃描的總行數(shù)是兩場(chǎng)掃描行數(shù)之和，即與逐行掃描時(shí)相同。這樣，隔行掃描既保持了逐行掃描的清晰度，又達(dá)到了降低圖像信號(hào)頻帶的目的。隔行掃描的行結(jié)構(gòu)要比逐行掃描的復(fù)雜一些，下面我們舉例說明隔行掃描光柵的形成過程。為了簡(jiǎn)化起見，把行、場(chǎng)掃描逆程時(shí)間都假設(shè)為零。圖1.5.2(b)是11行隔行掃描方式光柵形成的示意圖。電子束由左上端開始按1-1、3-3順序掃描

47、，即第一場(chǎng)(奇數(shù)場(chǎng))順序掃描第1、3、5、7、9等奇數(shù)行，當(dāng)掃描到第11行的一半(點(diǎn)a)時(shí)，正好掃過五行半，完成了第一場(chǎng)(奇數(shù)場(chǎng))掃描，電子束立即返回a點(diǎn)，并由a點(diǎn)開始第二場(chǎng)的順序掃描，首先掃描完第11行余下的半行，緊接著掃描第2、4、6、8、10等偶數(shù)行，當(dāng)掃描到右下端第10行末(點(diǎn)10)時(shí)，也掃描了五行半，完成了第二場(chǎng)(偶數(shù)場(chǎng))掃描。兩場(chǎng)掃描行數(shù)共為11行，恰好是一幀的掃描行數(shù)。其中偶數(shù)場(chǎng)的光柵應(yīng)剛好落在奇數(shù)場(chǎng)光柵的中間，即兩場(chǎng)光柵恰好鑲嵌，這樣才能構(gòu)成一幅隔行掃描的均勻光柵，并得到圖像最高清晰度。圖 1.5.3 為隔行掃描重現(xiàn)圖像示意圖(圖中為說明兩場(chǎng)光柵鑲嵌，用粗線和細(xì)線分別表示兩場(chǎng)光

48、柵。實(shí)際上，是沒有粗細(xì)差別的)。圖 1.5.2 隔行掃描(a) 掃描電流波形圖; (b) 隔行掃描光柵圖 1.5.3 隔行掃描光柵的形成過程兩場(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)(鑲嵌)是對(duì)隔行掃描的基本要求，否則垂直清晰度將大為下降。為了使第一場(chǎng)(奇數(shù)場(chǎng))光柵嵌在第二場(chǎng)(偶數(shù)場(chǎng))光柵的中間(如圖1.5.3所示)，每一場(chǎng)必須包含半行掃描，這就要求每一幀的掃描行數(shù)為奇數(shù)行。例如，我國(guó)采用625行的隔行掃描制，每一場(chǎng)的掃描行數(shù)為312.5行。而有的國(guó)家則采用525行，每場(chǎng)掃描行數(shù)為262.5行。根據(jù)上面的介紹，可以把奇數(shù)行隔行掃描所應(yīng)滿足的要求歸納為兩條：(1) 下一幀掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，以便保證各幀掃描光

49、柵重疊; (2) 相鄰兩場(chǎng)掃描光柵必須均勻鑲嵌，以獲得最高清晰度。由第(1)條得出，每幀的掃描行數(shù)必須為整數(shù)。或者說，相鄰兩場(chǎng)行數(shù)之和為一整數(shù)。為滿足第(2)條要求，而各場(chǎng)掃描電流又都一樣，則每場(chǎng)均須包含半行，每幀應(yīng)包含奇數(shù)行。這時(shí)，兩場(chǎng)掃描的起始點(diǎn)雖不相重合，但兩場(chǎng)光柵卻能均勻鑲嵌。由此得到行頻fH與場(chǎng)頻fV的關(guān)系: (1.5.1)式中：n為正整數(shù); z=2n+1為掃描行數(shù)，且為奇數(shù)。圖1.5.3以11行為例說明隔行掃描光柵的形成過程。因z11，故fHfV=11/2=5+1/2。圖中掃描電流逆程時(shí)間不為零，但逆程系數(shù)均很小。為了清楚起見，圖中行、場(chǎng)逆程軌跡用虛線表示。由上面的分析可以看出，為

50、了降低傳輸所需帶寬，一般采用隔行掃描方式。在顯像端如能準(zhǔn)確做到兩場(chǎng)信號(hào)鑲嵌，則可保證圖像垂直清晰度不會(huì)改變。但這一點(diǎn)在接收機(jī)中較難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，會(huì)造成兩場(chǎng)信號(hào)局部或全部并行現(xiàn)象，降低了垂直清晰度。所以，傳輸時(shí)采用隔行掃描，但在接收機(jī)中顯像時(shí)，往往通過處理使隔行變成逐行掃描方式，確保了圖像垂直清晰度不下降。另外，隨著顯像屏幕的不斷擴(kuò)大，大面積閃爍現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，所以為消除這種閃爍現(xiàn)象，在接收機(jī)顯像時(shí)應(yīng)使場(chǎng)頻加倍，由50 Hz提高到100 Hz。3. CCD攝像管和平板顯像管的掃描上面敘述的是對(duì)攝像管和顯像管的掃描過程，鋸齒波掃描電流通過偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)力使電子束從左向右、 從上至下掃描一幅圖像。目前

51、攝像器件主要采用CCD(電荷耦合器件)，顯像器件也大多采用平板顯示(液晶顯示、等離子體顯示)，掃描原理雖然與上述一樣，但它是通過水平移位寄存器和垂直移位寄存器完成掃描過程的，并非通過偏轉(zhuǎn)線圈完成。掃描原理如圖1.5.4所示。其中，頂部表示加到水平移位寄存器的電壓波形，位移的方向是從左至右周而復(fù)始地進(jìn)行的; 左邊表示加到垂直移位寄存器的電壓波形，位移的方向是從上至下周而復(fù)始地進(jìn)行的; 中間表示顯示掃描光柵。例如，要使光柵中的A像素點(diǎn)發(fā)光，必須在水平和垂直移位電壓相交時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。水平和垂直移位寄存器周而復(fù)始地進(jìn)行可形成從左至右、自上而下的掃描光柵。圖 1.5.4 CCD攝像管和平板顯像管的掃描4.

52、 掃描成像原理前面已說明掃描過程是從左向右，從上至下地進(jìn)行的。實(shí)際上，在顯像端顯示圖像的光點(diǎn)在時(shí)間上是有先后次序的。之所以能看到整幅圖像主要有兩個(gè)原因：(1) 顯示屏的余輝效應(yīng); (2) 人眼的視覺暫留現(xiàn)象。例如，一幅圖像左上角第一個(gè)亮點(diǎn)的發(fā)光可以保持到掃描完整幅圖像直至右下角最后一個(gè)亮點(diǎn)。這就使人覺得掃描是連續(xù)的，看到的是整幅圖像，而不是單個(gè)光點(diǎn)在來回跑動(dòng)。這就是掃描成像原理。1.6 清晰度與分解力圖像清晰度是主觀感覺到的圖像細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的清晰程度。它與電視系統(tǒng)傳送圖像細(xì)節(jié)的能力有關(guān)，這種能力稱為電視系統(tǒng)的分解力。顯然，被掃描的行數(shù)越多，分解成的圖像像素?cái)?shù)越多，原景物的細(xì)節(jié)就呈現(xiàn)得越清楚，主觀感

53、覺到的圖像清晰度也就越高。所以，通常采用掃描行數(shù)來表征電視系統(tǒng)的分解力，亦稱為標(biāo)稱分解力。下面我們分別討論垂直分解力與水平分解力。1. 垂直分解力 圖像垂直方向的分解力取決于系統(tǒng)沿圖像垂直方向所能分解的像素?cái)?shù)(或黑白相間的條紋數(shù))，它受掃描行數(shù)z的限制。垂直分解力不等于也不會(huì)超過每幅圖像的掃描行數(shù)z，這是因?yàn)樵诜纸鈭D像時(shí)，并非每一行都有效。在行掃描逆程期內(nèi)，被消隱的行數(shù)不分解圖像，所以將其除去后分解圖像的有效行數(shù)為z(1-)。由于像素與掃描電子束的相對(duì)位置關(guān)系，并非每一有效行都能代表垂直分解力。例如，圖1.6.1(a)是被攝取的水平細(xì)條，其寬度與掃描行相當(dāng)，即掃描電子束截面直徑等于行距。在攝像

54、時(shí)，如果黑白條紋恰好落在掃描線上(如圖1.6.1(a)左列圖像)，則被攝取的相鄰兩行圖像信號(hào)完全不同，并分別代表黑條與白條。這時(shí)，接收端就能得到正確重現(xiàn)的圖像，如圖1.6.1(b) 左列所示。在這種最佳情況下，垂直分解力等于有效掃描行數(shù)。但在最壞情況下，如圖1.6.1(a) 中間一列圖像，攝像時(shí)，掃描線恰好覆蓋黑白條各一半，則所得每行圖像信號(hào)均為黑條與白條信號(hào)的平均值，即各行圖像信號(hào)均相同。在接收端也必然重現(xiàn)出一條灰色帶子，如圖1.6.1(b) 中間一列所示。這時(shí)完全失去細(xì)節(jié)，即失去垂直分解力。假如這時(shí)減少一半條紋數(shù)，將能重現(xiàn)黑白條紋，如圖1.6.1(a)、(b)的右列圖像，但這時(shí)垂直分解力只

55、有有效行數(shù)的一半。圖 1.6.1 掃描單元對(duì)垂直分解力的影響在實(shí)踐中，這種黑白相間、排列整齊的圖像是罕見的，一般的圖像內(nèi)容都具有隨機(jī)性，所以垂直分解力介于有效行數(shù)z(1-)和一半有效行數(shù)z(1-)2 之間，并用一個(gè)小于1的系數(shù)K1乘以有效行數(shù)來表示。即垂直分解力M可表示如下：M=K1z(1-) (1.6.1)式中：M為垂直分解力; K1為克爾系數(shù)，K1(1-)=0.7; (指PAL電視標(biāo)準(zhǔn))2. 水平分解力 沿著圖像水平方向電視系統(tǒng)所能分解的像素?cái)?shù)(或黑白相間的條紋數(shù))，稱為電視系統(tǒng)的水平分解力。圖1.6.2(a)是一幅由若干黑白相間的垂直條紋所組成的圖像，與其對(duì)應(yīng)的電視圖像信號(hào)將是圖1.6.

56、2(b)所示的脈沖波。顯然，沿水平方向的條紋數(shù)越多，一行內(nèi)信號(hào)的變化次數(shù)也越多，信號(hào)頻譜也就越寬。傳送這種信號(hào)的通道的通頻帶必須很寬，否則，信號(hào)將產(chǎn)生失真?？梢姡ǖ赖耐l帶寬度將限制圖像的水平分解力。圖 1.6.2 豎條圖像及相應(yīng)的圖像信號(hào)波形圖當(dāng)電子束截面積很小，可以忽略不計(jì)時(shí)，上述圖像信號(hào)將是矩形脈沖。當(dāng)電子束直徑與條紋寬度相差不多時(shí)，圖像信號(hào)將接近于具有一定平均分量的正弦波，如圖1.6.2(c) 所示。顯然，電子束越細(xì)，每行所能分解的黑白條紋數(shù)就越多，但考慮到與垂直分解力相適應(yīng)，只要求在水平方向上所能傳送細(xì)節(jié)的大小與掃描行距相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)證明，水平分解力與垂直分解力相當(dāng)時(shí)圖像質(zhì)量為最佳。當(dāng)

57、考慮到光柵寬度為高度的K(幅型比或稱寬高比)倍時(shí)，水平方向的分解力為N=KM=KK1z(1-) (1.6.2)式中：N為水平分解力; K1為克爾系數(shù)，K1(1-)=0.7; K為幅型比，; =8%(指PAL電視標(biāo)準(zhǔn))。視頻通道的通頻帶則應(yīng)適應(yīng)這一水平分解力要求。分解力的單位采用電視線(TV線)。1.7 圖像信號(hào)的最高頻率電視通道的頻帶寬度 任一景物(或圖像)都有一定的背景亮度，反映在信號(hào)上是直流分量。即使是活動(dòng)圖像，圖像信號(hào)中也有一個(gè)因?yàn)閯?dòng)作緩慢而幾乎是零頻率的平均分量，這一頻率決定了圖像信號(hào)頻帶的下限。只要知道圖像信號(hào)的最高頻率，也就確定了圖像信號(hào)的頻帶寬度。圖像信號(hào)的最高頻率出現(xiàn)在傳送一幅

58、全是細(xì)節(jié)的圖像的情況下，且細(xì)節(jié)大小相當(dāng)于一個(gè)像素，即等于一個(gè)掃描點(diǎn)的大小。這時(shí)，水平方向所能分解的像素?cái)?shù)由式(1.6.2)決定，于是沿水平方向掃過一個(gè)像素所需的時(shí)間為 (1.7.1)式中： N為一幀圖像的掃描行總數(shù); TH為行掃描周期; fH為行頻; (指PAL電視標(biāo)準(zhǔn))。由于存在孔闌效應(yīng)，信號(hào)具有圖1.6.2(c)所示的近似正弦波形，其周期為2td圖像信號(hào)的最高頻率為 (1.7.2)把式(1.6.2)代入式(1.7.2)，并考慮到在逐行掃描情況下fV=fF，于是得到 (1.7.3)如果采用隔行掃描，則，于是得到 (1.7.4)比較式(1.7.3)與式(1.7.4)可以看出，由于采用隔行掃描使

59、幀頻下降了一半，頻帶寬度也就壓縮了一半，但場(chǎng)頻仍是50Hz，不會(huì)引起閃爍感覺。按我國(guó)現(xiàn)行電視標(biāo)準(zhǔn)，=18.75%, =8%，K1(1-)=0.7，得到信號(hào)帶寬為f0fmax5.6 MHz，所以視頻傳輸通道的通頻帶規(guī)定為6 MHz。以上根據(jù)黑白圖像或彩色圖像的亮度細(xì)節(jié)討論了清晰度及信號(hào)頻帶的確定。由于人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨力遠(yuǎn)小于對(duì)亮度細(xì)節(jié)的分辨力，人眼對(duì)一幅彩色圖像只能分辨其亮度細(xì)節(jié)而不能分辨色度細(xì)節(jié)。因此，在彩色電視中傳送人眼不能分辨的彩色細(xì)節(jié)將是極大的浪費(fèi)。根據(jù)人眼這種視覺特性，代表圖像色度的信號(hào)可取較窄的頻帶1.5 MHz。1.8 電視信號(hào)的頻譜1.8.1 電視信號(hào)頻譜分析電視信號(hào)頻譜的性

60、質(zhì)是電視系統(tǒng)中圖像信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)，也是彩色數(shù)字電視中數(shù)據(jù)壓縮的理論依據(jù)，所以，有必要對(duì)電視信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析。設(shè)電視信號(hào)f(x，y)是兩個(gè)自變量x、y的周期函數(shù)，該周期函數(shù)對(duì)x來講以TH為周期，對(duì)y來講以TV為周期，即f(x+TH，y+TV)=f(x，y)。則可把電視信號(hào)用傅里葉級(jí)數(shù)的復(fù)數(shù)形式表示如下：(1.8.1)(1.8.2)其中， 代表諧波的幅度和相角。其幅度將隨m和n的增大而逐漸減小，并當(dāng)m和n足夠大時(shí)趨于零。若函數(shù)f(x，y)隨x變化緩慢，則幅度將隨m的增加而很快減小，并逐漸趨于零; 反之，若函數(shù)f(x，y)隨x變化較快，則幅度將隨m的增加而緩慢衰減地趨于零。同理，若函數(shù)f(x，