第一章電視基礎(chǔ)知識

概述

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(xué)習(xí)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(shí)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(shù)。電視是近100年來最偉大的發(fā)明之一，是現(xiàn)代電子技術(shù)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(chǔ)知識1.1電子掃描

——成像的原理1.2黑白全電視信號——信號的內(nèi)容1.3彩色的基本概念——三基三要概念

這一章著重討論在電視系統(tǒng)中所用到的光電轉(zhuǎn)換、電子掃描、全電視信號及彩色等有關(guān)共有的基礎(chǔ)知識。1.1電子掃描

1.1.1像素⒈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(xì)小單元，這些組成畫面的細(xì)小單元就稱為像素。⒉像素的傳送應(yīng)該具有兩個特點(diǎn):⑴傳送速度要快——時間特點(diǎn)。⑵傳送位置要準(zhǔn)——空間特點(diǎn)。⒊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(zhuǎn)換成電或光信號的過程稱為電子掃描。

1.1.2

光電與電光轉(zhuǎn)換電視圖像的形成,在發(fā)送端是攝像管作為光電轉(zhuǎn)換器件,在接收端是顯像管作為電光轉(zhuǎn)換器件。

1.攝像管與光電轉(zhuǎn)換攝像管主要由：

①鏡頭－②光電靶－③偏轉(zhuǎn)線圈－④電子槍等組成。工作原理圖：由光敏半導(dǎo)體材料構(gòu)成暗亮tu

光敏半導(dǎo)體材料.....

2.顯像管與電光轉(zhuǎn)換顯像管是接收端重現(xiàn)圖像的器件,主要由：①電子槍－②真空玻璃殼－③熒光屏－④陰罩板－⑤高壓嘴－⑥偏轉(zhuǎn)線圈等組成。蔭罩板

1.1.3

電子掃描

1.電子掃描運(yùn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yùn)動。如下圖所示。圖1―7掃描電流波形(a)行掃描電流波形;(b)場掃描電流波形

a~b時b~c時90°110°圖1―8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(jié)束稱為一場偏轉(zhuǎn)線圈實(shí)物全貌場偏轉(zhuǎn)線圈行偏轉(zhuǎn)線圈偏轉(zhuǎn)線圈外視圖偏轉(zhuǎn)線圈內(nèi)視圖實(shí)際結(jié)構(gòu)圖顯像管座磁環(huán)

圖1―10掃描電流與重現(xiàn)圖像的關(guān)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1―11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1―12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幀掃描總行數(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(zhuǎn)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)對于一般活動圖像,相鄰兩行或相鄰兩幀信號間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。由圖1―13所示（P10）。單極性信號圖1―13圖像信號(a)正極性亮度遞減信號;(c)一般的負(fù)極性圖像信號黑

2.圖像信號的基本參量

亮度、對比度和灰度是電視圖像轉(zhuǎn)換中三個重要參量。圖像質(zhì)量,主要由這三個量描述。①亮度——是指單位面積的光通量。亮度的單位通常是尼特(nit）。電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)圖像輸出情況下，最暗3nit，最亮80nit。攝像機(jī)的亮度用照度表示：單位是Lux（勒克斯）。彩色攝像機(jī)一般為0.1～2000Lux。通常是給出最低照度（靈敏度）0.1Lux。投影儀的亮度用流明表示：單位是ANSI(流明：單位時間內(nèi)每平方米的光通量)。通常是給出最高亮度3000流明。

②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(dāng)以K表示對比度時,有：(1―4)

調(diào)對比度，實(shí)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？

③灰度——圖像的明暗層次。

1.2.2輔助信號

—本章難點(diǎn)——復(fù)合同步和復(fù)合消隱信號。

1.復(fù)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(yán)格同步,即收、發(fā)掃描對應(yīng)的行、場起始和終止位置必須嚴(yán)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(jī)”產(chǎn)生的。它一方面控制電視攝像機(jī)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1―14為收發(fā)兩端行頻相位不同步產(chǎn)生的行失步情況。圖1―14(a)為發(fā)端圖像。圖1―14

(b)為相位不同步的情況。

2.復(fù)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(fù)合消隱信號。

圖1―15復(fù)合同步與復(fù)合消隱信號(a)復(fù)合同步信號;(b)復(fù)合消隱信號;(c)復(fù)合同步與復(fù)合消隱信號

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(yīng)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1―16同步分離原理框圖及波形(a)分離電路原理圖;(b)各點(diǎn)波形圖1―16同步分離原理框圖及波形(a)分離電路原理圖;(b)各點(diǎn)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(jié)束，因此場同步信號應(yīng)在半行時加入；對于偶數(shù)場，它是在一個整行后結(jié)束，因此場同步信號應(yīng)在一個整行結(jié)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(fù)合同步信號;(b)積分輸出波形;圖1―17復(fù)合同步脈沖及積分結(jié)果相鄰兩場同步信號在接收端用積分法恢復(fù)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(fù)合同步、復(fù)合消隱、槽脈沖和均衡脈沖等疊加,即構(gòu)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1―18黑白全電視信號......1―18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(yīng)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1―19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(shí)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1―19中m≤20)。按m=20計(jì)算,各譜線群所占頻譜寬度僅為2m×fv=2×20×50=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1―20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(guān)，均小于1MHZ。圖1―21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(zhuǎn)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(jī)是將彩色景物變換成紅綠藍(lán)三種基色的電信號，然后進(jìn)行適當(dāng)?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號。為此，首先要弄清楚彩色電視的色度學(xué)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(zhì),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、橙、黃、綠、青、藍(lán)、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長的光稱為復(fù)合光,復(fù)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(lán)、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(guān)。

不同波長的光對應(yīng)單一的色，而顏色對應(yīng)的光卻并非單一。

3.色溫和標(biāo)準(zhǔn)光源

(1)色溫的概念色溫是以絕對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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)的白光源:

A光源:相當(dāng)于2800K鎢絲燈（100W）所發(fā)的光。

B光源:4800K,相當(dāng)于中午直射的太陽光。

C光源:6800K,相當(dāng)于白天的自然光。

D光源:6500K,相當(dāng)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：26000K。日立公司顯像管：6500K。東芝公司顯像管：9300K。索尼公司顯像管：11000K。

1.3.2視覺特性

1.相對視敏曲線

物質(zhì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成的。

圖1―25相對視敏曲線綠色亮度最強(qiáng)紅色次之（1/2）蘭色最弱（1/6）

2.人眼的亮度感覺①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：200~20000nit；

30nit：2~200nit。②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①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細(xì)胞和彩色感覺的紅、綠、藍(lán)錐狀細(xì)胞。人眼的色感就是由此三種錐狀細(xì)胞共同響應(yīng)的結(jié)果。②彩色光在人眼視網(wǎng)膜上有重疊的功能，即有一定強(qiáng)度的紅綠藍(lán)三色光同時作用在人眼的視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)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(dú)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。亮度紅、綠、藍(lán)。色調(diào)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(gòu)成該混合色的各個基色的亮度之和。

3.混色方法：紅色+綠色=

紅色+藍(lán)色=

綠色+藍(lán)色=

紅色+綠色+藍(lán)色=

（1—5）黃色紫色青色白色圖1―26相加混色圓圖為什么要選紅綠藍(lán)作為三基色？在電視系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相加混色主要有如下兩種方法:

(1)空間混色法。（PLA、NTSC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1―27色度三角形黃紅紫藍(lán)

1.3.4計(jì)色制及色度圖

1.配色實(shí)驗(yàn)配色實(shí)驗(yàn)是通過比色來進(jìn)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)+B(B）(1―6)圖1―28配色實(shí)驗(yàn)示意圖

對于標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度）為:

｜FE白｜=1×1+1×4.5907+1×0.0601=5.6508lm

(1―7)

2.計(jì)色制及色度圖

XYZ計(jì)色制及其色度圖在XYZ計(jì)色制中，人為設(shè)想的3個X、Y、Z基色代替R、G、B三基色，建立新的計(jì)算系統(tǒng)和色度圖。用該系統(tǒng)構(gòu)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(jì)色制得到的數(shù)值進(jìn)行換算（線性矩陣變換），最終由配色實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，換算成x,y坐標(biāo)值，得到色度圖。

“計(jì)算三基色”具有如下特點(diǎn):①可根據(jù)F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)方程式配出實(shí)際顏色,且三個色系數(shù)X、Y、Z均不為負(fù)。(X)、(Y)、(Z)并不代表實(shí)際顏色，只能由計(jì)算求得。②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。③色度由三色系數(shù)的相對比例確定，當(dāng)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(guān)，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(shè)X+Y+Z=m,則x,y,z分別為:

(1―13)YmZmmX=

x+y+z=++1

這樣x,y,z的和等于1，并且其中只有兩個量是獨(dú)立的,故可在x-y平面直角坐標(biāo)系中描繪出XYZ色度圖,亦稱CIE色度圖。(1―13’)

圖1―30XYZ色度圖

該色度圖具有如下特點(diǎn):①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。②舌形曲線上任一點(diǎn)與E白點(diǎn)的連線稱為等色調(diào)線。③不在同一等色調(diào)線上的任意兩點(diǎn),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(diǎn)的連線上，合成點(diǎn)的顏色強(qiáng)度與原兩點(diǎn)的距離成反比。

④飽和度相同的彩色所對應(yīng)的各點(diǎn)的連線稱為等飽和度線。⑤在譜色曲線內(nèi)任取三點(diǎn)對應(yīng)的彩色作基色(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(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形內(nèi)。⑥每一譜色（色度）均有x、y的坐標(biāo)值與其對應(yīng)。且y值還代表了相對的亮度。

3.亮度方程當(dāng)顯像三基色和標(biāo)準(zhǔn)白光源選定后，即知道了它們在XYZ計(jì)色制的色度坐標(biāo)。以C白光為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)色制的色度坐標(biāo)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(dǎo)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(gòu)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(1―15)以D65光為標(biāo)準(zhǔn)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(1―16)

二者相