灰度校正(γ校正).doc

灰度校正（γ校正）
1、灰度校正的原理
对完整的广播电视系统而言，要进行两次光一电的转换。一次是在摄像端，由摄像机把光像转变成电信号；另一次是在显像端，由电视机把电信号重新转换成光像。两次转换中，重要的转换器件使摄像器件和显像管。从整个系统的角度来看，显像管重现的图案，应该于被摄景物上各种亮度成比例，使两次转换的过程为线性，即重现的图像亮度　
B=K* BO (ｋ－常数；BO－景物亮度)。
否则图像就会出现亮度和色度的非线性失真。
摄像器件的光－电转换关系为：
　　E 0=K1 * BOγ１ (3-8)
式中：E 0－　摄像器件输出电压；K1－常数；　BO－景物亮度；γ１－转换非线性系数。对于CCD和氧化铅等摄像管，可近似认为γ１＝１，即摄像端的光电转换可以看作是线性的，即
E 0=K1 * BO
而显像管的电—光转换关系为：
Bd = K2 * Eγ2 （3-9）
式中：Bd一显像管上的光像亮度；K2一系数；E一显像管栅极上的信号电压；γ2一显像管的转换非线性系数；一般γ2=2.2。
显然，显像管的电一光转换是一种非线性性关系。这两种转换的γ特性如图3-55（a）、（b）所示。
图3-55
为了使整个系统的综合特性保持线性关系，就必须在图像传输过程中认为地加入一个特性与显像管端相反的非线性失真，以校正由γ2非线性造成的失真。设这一校正电路的传输特性为：
E=K*EOγ１ (3-10)
要保正系统为线性特性，则一定要满足:
γ１*γ2*γ3=1 (3-11)
可得出：γ=1/（γ１*γ2）=1/2.2=0.45 （3-12）
其特性如图3-55（c）。我们把这种校正电路称为γ校正。
γ校正可以在摄像机电路中进行，也可以在电视机电路中进行，由于电视机数量远远大于摄像机数量，从降低接收机成本考虑，γ校正同意安排在摄像机电路中实施。
2、灰度校正的电路
如图3-56所示，这是一个具有折线特性的γ校正电路。图像信号经T1和R1直接耦合到射极输出的T3的基极，在耦合电路中加入由D1、D2等组成的γ校正电路。当输入信号电平较高时，（对应图像较暗、视频信号幅度较小），T1发射机电位C使高于A点和B点，则D1、D2都截止，此时经R1提供给T3的电流大，放大器增益也大，曲线的斜率最大，如图3-57所示。当输入信号电平逐渐降低（图像逐渐变亮、视频信号逐渐增强），C点电位降低，当C点低于A点电位时，D1导通，产生分流使经R1提供给T3的电流减小，放大器增益降低，曲线斜率也减小，如图3-57中第二段曲线。
当C点电位再下降到低于B点电位时，D2也导通，分流作用更大，放大器增益更降低，曲线斜率也更减小，如图中第三段折线。调整W电位可得到比较理想的校正电路。其实这种折线式γ校正电路的实际特性曲线的转折是并不像图中所画的那么明显，因为每个二极管并不是理想的开关，从截止到饱和导通时的过程是渐变的，所以拐点并不明显。

彩色校正
根据色度学的知识，理想的摄像机光谱特性特性应该如图3-58所示。而实际摄像机不可能提供具有负瓣的光谱特性，因为分光棱镜系统只能提供正向的光谱特性，即于理想的光谱特性比较，缺少负瓣。这些差别会使重现的图像色彩不鲜艳，而有的颜色根本显示不出来。因此需要用电子模拟的办法进行校正，使摄像机的光谱特性曲线尽量接近理想的光谱特性曲线，这种校正称为彩色校正，并分成线性彩色校正和非线性彩色校正两种类型。
图3-58
1、线性彩色校正电路
为了尽量接近理想的分光特性，必须在视频信号处理电路中设法模拟出负向的光谱响应曲线，这就是线性彩色校正电路的主要任务。
由3-58看到R曲线的负瓣部分处在G曲线的正瓣范围内，正次瓣部分则处在B线路的正瓣下面;G曲线的两个负瓣一个处在R曲线的正瓣的下面，另一个在B曲线正瓣下面；而B曲线的负瓣则处在R曲线和G曲线的下面。于是设想用衰减和倒相的方法，将正瓣经过适当的衰减和倒相，叠加到那个需要负瓣的曲线上去，可以大致满足曲线所需要的理想形状，这就是线性彩色校正的基本原理。虽然这种校正的结果不完全理想，但从实际复原的颜色看，令人比较满意。
由此可知，每个基色的光谱特性的负瓣和正次瓣都可以用其它两个基色信号来模拟，这种模拟可用线性矩阵的形式来表示。彩色矩阵电路有三路输入信号三路输出信号，设输入信号即校正前的信号为R＇、G＇、B＇，输出信号为已校正信号R、G、B，则彩色矩阵可表示为：
（3-13）
式中a,b,c……i为矩阵系数，它们都是常数。
线性彩色校正接入视频处理电路中不应该影响白平衡，即对于白色图像，校正后的三基色应保持R=G=B，因此9个矩阵系数应该满足下式：
a+b+c=1
d+e+f=1
g+h+i=1
这9个系数的选择与许多因素有关，一般由生产厂家提供确定的数据，如下面一组系数数据：
（3-14）
由于是线性关系，可以用简单的电阻分压网络电路来实现，电路形式如图3-59所示。校正前的信号R’、G’、B’分别送入各自的分相器，分成正、负极性的信号，并将这六路正、负极性的信号送进电阻网络进行叠加。由(3-14)式可求出红、绿、蓝三路矩阵电阻的比例：
红路：R1：R2：R3 =1/1.455 ：1/0.466 ：1/0.011
绿路：R4：R5：R6=1/0.166 ： 1/1.272 ：1/0.105
蓝路：R7：R8：R9=1/0.001 ： 1/0.167 ：1/1.168
每组中3个电阻只要确定一个，另外两个就可以确定了。系数中的负值通过接负极性R’、G’、B’来实现。
校正后的输出经过电子开关控制，再经输出级输出。

2、 非线性彩色校正电路
上述线性电路彩色校正的参数都是经过精确的计算与实验而确定的，不
易变动与调整。实际工作中如果更换摄像器件，有可能发生彩色偏离，因而需要更换矩阵电路，十分麻烦。为此，摄像机设置了一种对图像中几种主要颜色的色饱和度和色调进行校正的电路，从而不必改变线性矩阵电路的参数，这种电路便是非线性校正电路。
非线性彩色校正的基本原理是设法从摄像的彩色图像信号中选出某一种需要校正的彩色信号，并用此信号去加重或减轻它本身的信号，使其饱和度增加或降低；或者用此信号去改变令两个彩色信号的大小，从而改变彩色的色调。图3-60给出了非线性彩色校正电路的方框图。首先由色差信号形成电路形成所需的

各种色差信号G-B、G-R、R-B、B-R送入选色电路，该电路的作用是由各种色差信号中选出几种单色光的校正信号，一般是红、绿、蓝三基色和青、紫、黄六种。选色电路的原理如图3-61所示。

例如，当绿色出现时，R=B=0,G=1，这时G-B和G-R都是高电平，则D3导通，正与门电路输出一个“+△G”。同理，使用正与门和负与门电路可以选出6个单色信号：-△R、+△G、-△B、+△C、-△M、+△Y，然后再通过校正矩阵电路就可以调整△R、、+△G、△B的大小和极性。校正矩阵的原理如图3-62所示。当△G送到电位器W1时，调节W1在中间位置是△G=0；上移时△G>0;下移时△G<0，从而改变了△G的大小和极性。然后将△G送进混合器与图像信号相加，即可改变原来绿色部分的饱和度。当W2在中间时，△G R=△GB=0；上下移动即改变了△G R和△GB的极性和大小，然后将△G R送进R通道的混合器俞R信号相加；将△GB送进B通道的混合气俞B信号相加，调节W2即改变了色调。

以上举例仅说明了一个单色信号“+G”的校正原理，将全部六个单色光的校正矩阵合在一起就是整个原摄像机的彩色校正电路。
轮廓校正
扫描电子束越细，则水平清晰度越高。但是无论是CCD单元还是电子束，都具有一定的直径。当图像细节的尺寸小于电子束直径尺寸时，在扫描时就会使细节处变得模糊，特别是在图像边沿轮廓的地方尤为明显，这种现象称为孔阑效应。下面的图3-63来说明这一现象。图中（a）式被摄景物的某一局部，左边为明亮部分，右边为黑暗部分，从左到右亮度从B01突降为B02，设电子束截面直径为d,它匀速地沿水平方向扫描，因为每一瞬间扫描信号是与电子束截面内的平均亮度成正比的，所以当电子束扫描到明暗交接处时，并不能立即作出方应，而是有一个过度时间，如图（b）所示。这样的信号送往电视机重现图像的黑白交界处必须模糊。其原因是损失了一部分高频分量。为了使图像轮廓分明，细节清晰，就需要在摄像机视频处理电路中进行轮廓校正。由于电子束一般为圆型，所以其孔阑效应不仅在图像水平方向出现，也在垂直方向出现，因此又分为水平轮廓校正和垂直轮廓校正。
图3-63
１、 水平轮廓校正
又称为行轮廓校正，如图3-64所示。当拍摄图（b）所示的图像时，电路中各点波性如图（c），经过水平轮廓校正后的图像如图（d）。
图3-64
图（a）的1是为轮廓模糊的输入信号，此信号通过低通滤波器，由于抑制了高频分量，信号轮廓处电平变化更加平缓，并产生一定的延时，其波形如图（c）中3.输入信号另一路经延时线，形成如图（c）中2的波形，这里经延时线的元英式为了与低通滤波器延时相比配，即与低通滤波器的偃师县相等，以免造成合成信号的相位失真。将波形2与3在减法器中相减（2-3），得到波形4，就是所需要的水平轮廓校正信号。将此校正信号加到2信号中去，就得到了校正后的图像信号5。从５的波形可见，经过校正以后，视频信号的边沿具有了叫都的过度特性，并有下冲和上冲，使重现是为图像看上去更加鲜明，如图（d）所示，因此这种轮廓校正电路也叫做勾边电路。
２、 垂直轮廓校正
又称为场轮廓校正，其工作原理与行轮廓校正相似，也是使图像的轮廓过渡边沿得到加重，以提高图像边沿的对比度，使图像垂直轮廓鲜明。要在垂直方向上使相邻像素之间相隔一行（64μs）的扫描时间。垂直轮廓校正由两种方案：一种使用一条行延时线；另一种使用两条行延时线。前者比较简单，但效果不如后者。由于要延迟一行（64μs）的时间较长，一般分布参数的延时线是无法实现的，因此必须采用超声波玻璃延时线。又由于视频信号带宽太宽，不能直接送入延时线，需要进行调制压缩、再解调还原等一系列处理，因而大多大户摄像机只将绿基色信号送入垂直轮廓校正电路，形成校正信号后，再将这一校正信号同时加到3路基色信号中，来完成垂直轮廓校正任务。

图3-65所示为一条 行延时线垂直轮廓校正电路的原理方框图。图（b）为被摄图像；（a）是校正电路方框图；（c）视图中各点波形，其中1为输入待校正电路；2为经过一行延时时间后的波形；将1与2在减法器里相减，得到垂直轮廓校正信号3；再将3加到1中去就得到校正后的波形4，波形中明显上冲和下降，加强了边缘的对比度，使图像显得更加清晰。
如果采用两条延时线的垂直轮廓校正，则校正的效果更好，如图（d ）所示，这种校正方案具有更加的上下勾边特性。