电视原理第1章1.pptx

内容简介内容简介本课程是电子信息工程专业主干课程，目的本课程是电子信息工程专业主干课程，目的是使学生掌握电视系统的基本原理，它是专是使学生掌握电视系统的基本原理，它是专业知识的综合体现。业知识的综合体现。本课程对电视系统从基本原理、图像摄取、本课程对电视系统从基本原理、图像摄取、处理、传输、存储、重现，进行较系统的学处理、传输、存储、重现，进行较系统的学习。习。教教材与参考书目材与参考书目教材教材电视原理电视原理（高等学校电子信息类规划教材）（高等学校电子信息类规划教材）俞斯乐等俞斯乐等国防工业出版社国防工业出版社第第6版版2005参考书目参考书目1、电视原理实验电视原理实验国防工业出版社国防工业出版社2、数字电视技术基础数字电视技术基础惠新标惠新标郑志航编著郑志航编著电子工业出版社电子工业出版社作业与实验要求作业与实验要求1、完成规定课堂作业。、完成规定课堂作业。2、独立完成实验操作，上交实验报告。、独立完成实验操作，上交实验报告。电视的诞生电视的诞生电视是电视是20世纪人类最世纪人类最伟大的发明之一。伟大的发明之一。1925年，苏格兰发明年，苏格兰发明家贝尔德用自行装置家贝尔德用自行装置的机械电视设备，第的机械电视设备，第一次将移动的图像传一次将移动的图像传向远处的接收机现场。向远处的接收机现场。1925年年10月月2日，位于伦敦一间顶楼的临时实日，位于伦敦一间顶楼的临时实验室里，贝尔德用摄像机扫描了一个木偶的验室里，贝尔德用摄像机扫描了一个木偶的头部。他欣喜地发现，木偶的头部被闪烁不头部。他欣喜地发现，木偶的头部被闪烁不定地复制在他安置于另一间屋子的荧屏上。定地复制在他安置于另一间屋子的荧屏上。于是，他飞快地跑出实验室，临时雇了一个于是，他飞快地跑出实验室，临时雇了一个小伙计坐在他的摄像机前，重复他的实验。小伙计坐在他的摄像机前，重复他的实验。这位名叫泰因顿的年轻小伙子幸运地成为历这位名叫泰因顿的年轻小伙子幸运地成为历史上第一个出现在电视上的人。史上第一个出现在电视上的人。1926年年1月，贝尔德在伦敦皇家科学研究所首次示范电视技术。月，贝尔德在伦敦皇家科学研究所首次示范电视技术。最早的电视广播最早的电视广播最最早早的的电电视视广广播播于于1929年年在在伦伦敦敦开开播播，使使用用了了约约翰翰洛洛吉吉贝贝尔尔德德建建造造的的系系统统。画画面面引引起起了了一一阵阵轰轰动动，但但它它们们一一点点儿儿也也不不像像现现代代的的电电视视广广播播。现现代代彩彩色色电电视视画画面面是是由由500至至1000条条以以上上的的扫扫描描线线组组合合起起来来的的。贝贝尔尔德德的的画画面面只只有有30条条扫扫描描线线，并并且且是是黑黑白两种颜白两种颜色，这使得画面非常模糊。色，这使得画面非常模糊。世世界界上上最最早早的的电电视视台台是是1936年年11月月2日日在在伦伦敦敦郊郊外外亚亚历历山山大大宫宫建建立立的的大大众众电电视视台台。我我们们国国家家第第一一座座电电视视台台是是1958年年5月月1日日试试运运行行的的北北京京电电视视台台，也也就是现在的中央电视台。就是现在的中央电视台。电视技术的发展电视技术本身：第一代黑白电视（20世纪20年代）第二代彩色电视（20世纪40年代）第三代高清晰度电视（20世纪80年代）信号处理技术：第一代模拟电视第二代数字处理电视第三代数字电视电路工艺：第一代电子管第二代晶体管第三代大规模集成电路传输媒介：单一的地面微波扩充到电缆、卫星、网络、无线移动 功能覆盖：单一的活动图像广播扩充到数据广播、视频点播、收费电视、立体电视、多视点视频等 电视技术的特点：快速发展模拟、数字电视并存各种制式群雄并起各类设备争奇斗艳 多学科综合的、代表性的电子信息工程（物理学、生理学、数学、电子电路、计算机、信号处理、通信技术）深入日常生活，可见可感构思奇巧、实现精到 有助于实现知识的贯穿和系统概念的建立 天津大学电子信息工程专业以电视技术为特色 20世纪60年代在全国高校最早开设电视原理课程。20世纪70年代参加全国电视会战。1979年创建了天津大学电视研究室（现为天津大学电视与图像信息研究所），是中国高校中唯一经国家教育部批准设立的从事这一领域研究的科研单位。1980年代“91mm钻孔彩色电视设备”获国家科技进步二等奖，“电视多工广播”获国家教委科技进步一等奖，“彩色电视屏幕墙系统”获机电部科技进步三等奖 “数字HDTV/TV频带压缩编解码技术”，被电子部评为电子行业“八五”国家科技攻关重大成果。“HDTV信源解码器”的研制任务，被国家计委、科技部等评为“九五”国家重点攻关重大成果。“数字高清晰度电视系统关键技术与设备”2002年获国家科技进步二等奖及上海市科技进步一等奖。“数字高清晰度电视机顶盒技术”2003年获天津市科技进步一等奖。出版了我国电视技术领域的首部专著电视原理，作为全国统编教材目前已修编了6版，获电子部全国工科电子类专业优秀教材一等奖。2009年电视原理被批准为国家级精品课。电视：根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物图像的技术。电视摄像机（光电转换）景物 处理设备传输信道 接收设备 电视显示器（电光转换）观看者第第1章章视觉特性与三基色原理视觉特性与三基色原理电视技术的精髓就是研究如何用最经济、最有效的方法使重现光像能够使人感到最逼真地模拟实际景物的光像。电视使人人都是千里眼、顺风耳，人人不出屋，便见天下物。“电”“视”顾名思义是物理学与生理学结合的科学。为使使重现光像逼真地模拟实际景物的光像必须首先了解光特性，了解人对光像的感觉特性。1.1光的特性光的特性1.1.1电磁辐射与可见光谱电磁辐射与可见光谱780nm380nm可见光可见光1.光光的波长范围有限，它只占整个电磁波波谱的波长范围有限，它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。中极小的一部分。2.不同波长的光呈现出的颜色各不相同，随着不同波长的光呈现出的颜色各不相同，随着波长由长到短，呈现的颜色依次为：波长由长到短，呈现的颜色依次为：红红、橙橙、黄黄、绿绿、青青、蓝蓝、紫紫 3.只含有单一波长的光称为只含有单一波长的光称为单色光单色光；包含有两；包含有两种或两种以上波长的光称为种或两种以上波长的光称为复合光复合光，复合光，复合光作用于人眼，呈现混合色。太阳辐射的光含作用于人眼，呈现混合色。太阳辐射的光含有各种单色光的波谱，给人以白光的综合感有各种单色光的波谱，给人以白光的综合感觉。觉。4.太阳发出的白光中包含了所有的可见光，若把太太阳发出的白光中包含了所有的可见光，若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上，太阳光会经过棱阳辐射的一束光投射到棱镜上，太阳光会经过棱镜分解成一组按镜分解成一组按红红红红、橙橙橙橙、黄黄黄黄、绿绿绿绿、青青青青、蓝、蓝、蓝、蓝、紫紫紫紫顺顺序排列的连续光谱，被分解之后的色光，若再次序排列的连续光谱，被分解之后的色光，若再次经过棱镜，就不能再分解了，这种单一波长的色经过棱镜，就不能再分解了，这种单一波长的色光称光称谱色光谱色光。太阳光谱辐射大部分为可见光，感谢造物主，人恰恰对这部分电磁辐射敏感。电视不但可以把视线不可及的景物变成可及的，还可以把视力不可见的变成可见的，如红外电视和紫外电视。为了真实重现彩色景物需要研究光源。光源包括太阳光和人造光源。彩色感觉是人眼主观视觉功能和物体、光源属性等客观条件结合的产物。同一物体在不同光源下可呈现不同的彩色。1.1.2光源光源一、一、色温色温的概念的概念定量地描述光源所发出的定量地描述光源所发出的白光白光的品位。的品位。绝对黑体绝对黑体-指既不反射也不透射而完全吸收指既不反射也不透射而完全吸收入射波的理想物体。入射波的理想物体。色温色温-当绝对黑体在某一特定绝对温度下，当绝对黑体在某一特定绝对温度下，其辐射的其辐射的相对光谱功率分布相对光谱功率分布与某一光源的光与某一光源的光谱相同时，则绝对黑体的这一特定温度就定谱相同时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，单位是开（义为该光源的色温，单位是开（K）。）。1.1.2光源光源二、标准照明体和标准光源二、标准照明体和标准光源标准照明体标准照明体代表代表模拟模拟A色温于色温于2856K完全辐射体的光完全辐射体的光近日出或日落时之日光近日出或日落时之日光B色温约色温约4874K的直射阳光的直射阳光近正午之阳光近正午之阳光C色温约色温约6740K的平均日光的平均日光相似北方相似北方45度仰角之日光度仰角之日光D50色温约色温约5000K的日光的日光印刷工艺用之标准光印刷工艺用之标准光D65色温约色温约6504K的日光的日光平均太阳光平均太阳光D75色温约色温约7500K的日光的日光相似北方天空之日光相似北方天空之日光标准光源A白光源（2800K2800K）B白光源（4800K4800K）C白光源（6770K6770K）D65白光源（6500K6500K）E白光源（5500K5500K）（等能白光：（等能白光：E E白白）1.2.1眼睛的构造眼睛的构造1.2人眼的视觉特性人眼的视觉特性人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：眼睛可类比与一个摄像机。眼睛可类比与一个摄像机。人人的的视视网网膜膜通通过过神神经经元元来来感感知知外外部部世世界界的的颜颜色。色。每每个个神神经经元元或或者者是是一一个个对对亮亮度度和和颜颜色色敏敏感感的的锥锥体体细细胞胞，或或者者是是一一个个只只对对亮亮度度敏敏感感而而对对颜颜色不敏感的色不敏感的杆体细胞杆体细胞。1.2.2 1.2.2 光的度量光的度量1.光谱光视效率光谱光视效率光的度量是指用人眼的视觉度量光。光的度量是指用人眼的视觉度量光。视觉效应是由可见光刺激人眼引起的。如果视觉效应是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同，不仅颜色感觉不同，而且亮觉效果也不同，不仅颜色感觉不同，而且亮度感觉也不同。度感觉也不同。在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波长长光的辐射功率光的辐射功率e（），），则：则：光谱光视效能光谱光视效能：K（）=1/e（）用来衡量视觉对波长为用来衡量视觉对波长为的光的敏感程的光的敏感程度。度。当当=555nm=555nm时，有最大的光谱光视效能：时，有最大的光谱光视效能：Kmax=K(555)任意波长光的光谱光视效能任意波长光的光谱光视效能K K()()与与K Kmaxmax之比之比 称为称为光谱光视效率（相对视敏度）光谱光视效率（相对视敏度），用函数，用函数V V()表示：表示：V（）=K（）/Kmax V V（）也可用得到相同主观亮度感觉时所需）也可用得到相同主观亮度感觉时所需各波长光的辐射功率各波长光的辐射功率e e(）表示：）表示：V（）=e（555）/e（）1933年国际照明委员会（年国际照明委员会（CIE）测得的）测得的明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线明视觉暗视觉2.光度学中几个度量单位光度学中几个度量单位发光强度发光强度I，单位是，单位是cd，读作，读作坎德拉坎德拉光源在给定方向上发出波长光源在给定方向上发出波长555nm的单的单色辐射，且在此方向上的辐射功率为色辐射，且在此方向上的辐射功率为（1/683）W/sr（1lm/sr），则称该光），则称该光源在此方向上的发光强度为源在此方向上的发光强度为1cd。I=de/dcd是是国际单位制（米国际单位制（米.千克千克.秒制）的一秒制）的一个基本单位。个基本单位。光通量光通量：单位是：单位是lm,读作读作流明流明按人眼光感觉度量的辐射功率。按人眼光感觉度量的辐射功率。1流流明明等等于于发发光光强强度度为为1cd的的点点光光源源，在在1球球面面度度立体角内发射的光通量。立体角内发射的光通量。1lm=1cdsr波波长长555nm的的单单色色光光辐辐射射功功率率为为e(555)=1W时时产生的产生的光通量为光通量为1光瓦。根据坎德拉的定义光瓦。根据坎德拉的定义1光瓦光瓦=683流明流明波波长长的的单单色色光光辐辐射射功功率率为为e()瓦瓦时时，相相当当于于波波长长555nm的的单单色色光光辐辐射射功功率率为为e()V()瓦瓦，光光通量为通量为e()V()光瓦，或光瓦，或683e()V()流明。流明。非非单单一一波波长长的的光光源源，其其发发出出之之光光通通量量，是是它它在在各各波长范围所发出的光通量总和。波长范围所发出的光通量总和。对于对于N个单色光个单色光1、2、N组成的光源：组成的光源：N=683e(i)V(i)lm i=1 对于具有连续光谱功率分布密度对于具有连续光谱功率分布密度e()的光源：的光源：780=683e()V()d lm 380亮度亮度L:单位是单位是cd/m2,读作读作坎坎/米米2亮度表示发光面的明亮程度。亮度表示发光面的明亮程度。L=dI/ds（同样的发光强度面积越小亮度越大）（同样的发光强度面积越小亮度越大）I=de/d,L=dI/ds2 L=d e/d ds亮度单位有时也用流明。亮度单位有时也用流明。1.2.3亮度、彩色与立体视觉亮度、彩色与立体视觉1.明暗视觉明暗视觉亮环境下锥体细胞、杆体细胞共同起作用，分辨明暗、亮环境下锥体细胞、杆体细胞共同起作用，分辨明暗、彩色，称为彩色，称为明视觉明视觉。暗环境下只有杆体细胞起作用，只能分辨明暗，称为暗环境下只有杆体细胞起作用，只能分辨明暗，称为暗暗视觉视觉。暗视觉比明视觉的相对视敏度曲线偏左暗视觉比明视觉的相对视敏度曲线偏左(偏向短波长偏向短波长)。2.彩色视觉彩色视觉彩色光的三个基本参量彩色光的三个基本参量(彩色三要素彩色三要素)：（1）亮度亮度光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉。光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉。（2）色调色调表示颜色的种类。表示颜色的种类。（3）饱和度饱和度表示颜色的深浅程度。即彩色的纯度，掺表示颜色的深浅程度。即彩色的纯度，掺入白色的程度。入白色的程度。色度色度色调和饱和度又合称为色调和饱和度又合称为色度色度。色度既说明彩色的类别，又说明彩色的深浅程度。色度既说明彩色的类别，又说明彩色的深浅程度。亮度取决于人眼感觉的光功率的大小。色调取决于进入人眼的光的波长。饱和度取决于纯色光中混入白光的程度。HSL彩色模型彩色模型3.立体视觉立体视觉双眼立体视觉：两眼相距约双眼立体视觉：两眼相距约5872mm,两两眼视物相当于从不同角度看物体，物体融眼视物相当于从不同角度看物体，物体融合为立体图像。合为立体图像。形成双眼立体视觉的主要因素是形成双眼立体视觉的主要因素是视差视差和和辐辐辏辏。1.2.4眼睛的视觉范围与视亮度眼睛的视觉范围与视亮度人眼能感觉的绝对亮度范围与在适应了某一环境平均亮度下的亮度范围不同。前者为1亿比1，后者为1千比1。视亮度在一定背景亮度环境下人的主观亮度感觉。费涅尔系数 =Lmin/L Lmin称为可见度阈值。视亮度 S=klgL+k0 （韦伯费涅尔定律）、k、k0在一定背景亮度环境下为常数，不同的背景亮度环境有所不同。锥体细胞在锥体细胞在3cd/m2时最灵敏时最灵敏杆体细胞在杆体细胞在10-3cd/m2时最灵敏时最灵敏背景亮度环境很低或背景亮度环境很低或很高时，很高时，较大较大（k k较较小），小），视亮度不敏感视亮度不敏感2图像中最大亮度图像中最大亮度Lmax与最小亮度与最小亮度Lmin 的比值的比值C称为称为对比度对比度。C=Lmax/Lmin例：实际传送的景物亮度例：实际传送的景物亮度200-20000cd/m2，电，电视屏幕亮度视屏幕亮度2-200cd/m2，两者对比度都为，两者对比度都为100重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等，重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等，只需保持二者的对比度相同。只需保持二者的对比度相同。人眼不能觉察的亮度差别无需精确复制。人眼不能觉察的亮度差别无需精确复制。（亮度可以量化为有限个量化等级，例如（亮度可以量化为有限个量化等级，例如256级）级）视觉掩盖效应：在视觉掩盖效应：在空间不均匀背景中，空间不均匀背景中，可见度阈值将会增可见度阈值将会增大，这种现象称为大，这种现象称为视觉掩盖效应。视觉掩盖效应。在图像边缘处可以在图像边缘处可以粗量化。粗量化。可可可可见见见见度度度度阈阈阈阈值值值值对比度对比度对比度对比度2.752.75对比度对比度对比度对比度8.78.7对比度对比度对比度对比度27.527.5背景阶跃变化对比度背景阶跃变化对比度背景阶跃变化对比度背景阶跃变化对比度1.2.5人眼的分辨力与空间频率响应人眼的分辨力与空间频率响应1.黑白细节分辨力黑白细节分辨力视敏角视敏角(分辨角分辨角)观测点（眼睛所在点）与人观测点（眼睛所在点）与人眼能分辨的相距最近的两个点所形成的夹角。眼能分辨的相距最近的两个点所形成的夹角。正常人的视敏角正常人的视敏角11.5分分人眼的分辨力人眼的分辨力视敏角视敏角的倒数的倒数 M条纹条纹DdHd/（2D）=/36060=3438d/D分辨力与观看位置、照明强度、景物相对对分辨力与观看位置、照明强度、景物相对对比度、物体运动速度有关。比度、物体运动速度有关。空间频率空间频率单位视角单位视角(1)内正弦变化的空间内正弦变化的空间条纹数。条纹数。电视系统的空间频率响应（包括空间采样频电视系统的空间频率响应（包括空间采样频率）应该与率）应该与视觉视觉分辨力相适应。分辨力相适应。人眼相当于一个低通滤波器。人眼相当于一个低通滤波器。（视觉细胞一定面积（视觉细胞一定面积视觉分辨力视觉分辨力低通滤波低通滤波器）器）2 2彩色细节分辨力彩色细节分辨力彩色细节分辨力彩色细节分辨力人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低辨力低彩色电视系统传送彩色图像时，细节部分只彩色电视系统传送彩色图像时，细节部分只传传送黑白图像。送黑白图像。大面积着色原理大面积着色原理背景颜色背景颜色背景颜色背景颜色白白白白红红红红蓝蓝蓝蓝斑点颜色斑点颜色斑点颜色斑点颜色黑黑黑黑.绿绿绿绿.绿绿绿绿.可分辨的可分辨的可分辨的可分辨的斑点直径斑点直径斑点直径斑点直径1mm1mm2.5mm2.5mm5mm5mm细节色别细节色别细节色别细节色别黑白黑白黑白黑白黑绿黑绿黑绿黑绿黑红黑红黑红黑红黑蓝黑蓝黑蓝黑蓝绿红绿红绿红绿红红蓝红蓝红蓝红蓝绿蓝绿蓝绿蓝绿蓝分辨力分辨力分辨力分辨力100%100%94%94%90%90%26%26%40%40%23%23%19%19%3彩色色调分辨力彩色色调分辨力人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分色调分色调分色调分辨阈辨阈辨阈辨阈，色调分辨力色调分辨力色调分辨力色调分辨力与色调分辨阈成反比。与色调分辨阈成反比。与色调分辨阈成反比。与色调分辨阈成反比。色调分辨力随波长变化而改变，色调分辨力随波长变化而改变，色调分辨力随波长变化而改变，色调分辨力随波长变化而改变，480nm640nm480nm640nm 区间色光的色调分辨力较高（对电视系统色调失真区间色光的色调分辨力较高（对电视系统色调失真区间色光的色调分辨力较高（对电视系统色调失真区间色光的色调分辨力较高（对电视系统色调失真要求比较严格）。要求比较严格）。要求比较严格）。要求比较严格）。4彩色饱和度分辨力彩色饱和度分辨力视觉所能分辨的色光饱和度由视觉所能分辨的色光饱和度由视觉所能分辨的色光饱和度由视觉所能分辨的色光饱和度由100%100%到到到到0 0变化的等级变化的等级变化的等级变化的等级数称为彩色数称为彩色数称为彩色数称为彩色饱和度分辨力饱和度分辨力饱和度分辨力饱和度分辨力。彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在425425之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高（对电视系统色调失真要求比较严格）（对电视系统色调失真要求比较严格）（对电视系统色调失真要求比较严格）（对电视系统色调失真要求比较严格）。1.2.6 1.2.6 1.2.6 1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性与闪烁感觉当有光脉冲刺激人眼当有光脉冲刺激人眼时，视觉的建立和消时，视觉的建立和消失都需要一定的过程，失都需要一定的过程，光源消失以后，景物光源消失以后，景物影像会在视觉中保留影像会在视觉中保留一段时间，称为一段时间，称为视觉视觉惰性惰性。视觉暂留视觉暂留时间在时间在0.050.2秒秒若电视画面间歇性重若电视画面间歇性重复呈现，只要重复频率复呈现，只要重复频率为为50Hz50Hz左右，视觉上就左右，视觉上就有很好的连续画面的感有很好的连续画面的感觉。觉。不引起闪烁感觉的光不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率称为脉冲最低重复频率称为临界闪烁频率临界闪烁频率。人眼在不同亮度下视亮度人眼在不同亮度下视亮度人眼在不同亮度下视亮度人眼在不同亮度下视亮度与作用时间的关系与作用时间的关系与作用时间的关系与作用时间的关系10HZ10HZ30HZ50HZ闪闪烁烁演演示示