数字视频技术基础知识-2.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,华东理工大学,East China University of Science And Technology,彩色视觉,彩色是一种视觉信息。光辐射刺激人眼（简称彩色刺激）时，将引起复杂的心理及心理变化的过程。,彩色视觉的理论涉及生理学、心理学、物理光学、生理光学等学科,彩色视觉与三基色原理,导入,人类视觉感知能力的特点,人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功能；但在对灰度、距离和面积的绝对估计上却有某些欠缺；,以传感器单元的数目比较：视网膜包含接近,1,亿,3000,万至,1,亿,5000,万个光接收器，这远远大于一般数字成像系统,CCD,片上的传感器单元数；,和它每次执行运算的数目比较：和计算机的时钟频率相比，神经处理单元的开关时间将比之大约慢,10,4,倍；,总体而言，人类的视觉系统还是比计算机视觉系统要强大得多。它能实时分析复杂的景物以使我们能即时的反应。,视觉低级感知层次,视觉系统从外界获取图象，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光学成象，然后由视觉接收器,(,杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器,),，将光图象信息转化为视网膜的神经活动电信息，最后通过视神经纤维，把这些图象信息传送入大脑，由大脑获得图象感知。,100m,15m,2.55mm,17mm,中心凹,(,成像区,),彩色的三个基本参量,彩色的利用不仅令人愉悦，且可获得更多的信息。,实验表明：视觉仅能感知十余级灰阶,彩色感知但却能区分上千种彩色；,彩色视觉特性是亮度,(Brightness),、色调,(Hue),和饱和度,(Saturation),的函数：,亮度表示感受到的光强度,(,白色越多，强度越高,),；,色调表示颜色,(,各光谱的混合程度,),；,饱和度是彩色中包含白光的多少,(,白色越多饱和度越低，纯光谱色是完全饱和的,),。,视网膜中叁种视锥体对彩色的吸收曲线,彩色的表示,彩色的表示是基于,Tomas Young,提出的三基色原理：,“任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生”。,生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的吸收光谱，,S,R,(),，,S,G,(),，,S,B,(),其中：,MIN,MAX,、,MIN,400nm,、,max,780nm,吸收光谱响应的峰值分别在光谱的红、绿、兰区域。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。,三基色相加混色：红、绿、兰三基色,(RGB),；,三基色相减混色：黄、青、品红,(CMY),。,RGB,彩色模型,RGB,颜色模型是三维直角坐标颜色系统中的一个单位正方体，在正方体的主对角线上，各原色的量相等，产生由暗到亮的白色，即灰度。,(0,0,0),为黑，,(1,1,1),为白，正方体的其他,6,个角点分别为红、黄、绿、青、蓝和品红。,RGB,颜色模型构成的颜色空间是,CIE,原色空间的一个真子集。,RGB,颜色模型通常用于彩色阴极射线管和彩色光栅图形显示器。,RGB,三原色是加性原色。,黄,(1,1,0),黑,(0,0,0),绿,(0,1,0),青,(0,1,1),蓝,(0,0,1),品红,(1,0,1),白,(1,1,1),红,(1,0,0),RGB,调色板,2.1,图像顺,序,传送原理,1.,图像的表示法,根据三基色原理彩色图像由红、绿、蓝三个基色图像叠加而成。对于彩色电视，每一个平面活动基色图像都可以表示成空间坐标,x,、,y,和时间,t,的三维连续函数。,f,R(,x,y,t,),，,f,G,(,xy,t,),，,f,B,(,x,y,t,),对于黑白电视，平面活动图象只是亮度图像，表示为,f,L,(,x,y,t,),2.1,电视系统组成原理,电视系统：摄像传输显像,根据人眼对,细节分辨力,有限,的视觉特性，可以把一幅平面图像分解成许许多多小单元。这些组成画面的细小单元具有单一的亮度和色度，称为,像素,（,pixel,）。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。,根据人眼的,视觉惰性,可以把时间连续的景物分解成一幅幅时间不连续的画面，只要画面的显示频率高于临界闪烁频率，就可以获得连续活动图像的感觉。,1.,图像的表示法,对于彩色电视，每一个,平面活动基色图像,都可以表示成空间坐标,x,、,y,和时间,t,的,三维离散函数,:,f,R,(,x,m,y,n,t,k,),，,f,G,(,x,m,y,n,t,k,),，,f,B,(,x,m,y,n,t,k,),对于黑白电视，平面活动亮度图像可表示为,f,L,(,x,m,y,n,t,k,),电视图像离散化可以压缩需要传送的信息量。,如何用一维时间函数的电视信号传送三维活动电视图像？,1.,图像的表示法,2.,图像的顺序传送,并行传送：,把不同位置上的像素同时转变成相应的电信号，分别用相应信道同时传送出去。,根据人眼的细节分辨力，一幅图像要比较清晰，至少要有,40,万以上的像素，即需,40,万个信道。,不经济，也不可能,。,并行传送示意图,发送端,接收端,顺序传送（串行传送）：,利用人眼的视觉惰性，将各个像素的光信号,按一定的顺序变成电信号传输，接收端再按同样的顺序将电信号变成光信号，只要速度足够快，人眼感觉图像就是完整和连续的。,这种将图像分解成像素并按一定的顺序传送图像像素的电视系统称为顺序传送系统。,传送顺序：从左到右，从上到下，时间递增,同步：在接收端每个像素的几何位置与发送端一一对应。,2.,图像的顺序传送,顺序传送示意图,2.,图像的顺序传送,3,.,扫描,将光图像转换成顺序传送的电信号的过程及其逆过程称为,扫描,。,f,L,(,x,m,y,n,t,k,),三维图像信号,f,(,t,),一维电视信号,扫描行扫描,水平扫描,场扫描,垂直扫描,扫描,周期重复上述扫描,行扫描正程，行扫描逆程,场扫描正程，场扫描逆程,2.1.2,光,-,电,/,电,-,光转换原理,发端：光,-,电转换,摄像管,收端：电,-,光转换,显像管,1.,摄像,CCD,Charge Couple Device,电荷耦合器件,帧转移,CCD,摄像管,光敏成像区,存储转移区,读出移位寄存器,时序控制电路,读出移位寄存器（遮光）,图像信号,感光单元,存贮转移区,光敏成像区,转移移位寄存器（遮光）,2.1.2,光,-,电,/,电,-,光转换原理,发端：光,-,电转换,摄像管,收端：电,-,光转换,显像管,1.,摄像,CCD,Charge Couple Device,电荷耦合器件,帧转移,CCD,摄像管,光敏成像区,存储转移区,读出移位寄存器,时序控制电路,读出移位寄存器（遮光）,图像信号,感光单元,存贮转移区,光敏成像区,转移移位寄存器（遮光）,2.,显像,显像管,阴极射线管,Cathode Ray Tube(CRT),主要组成：电子枪、荧光屏、偏转线圈等。,来自摄像端的信号加到显,像,管的栅极，控制电子束的能量，从而控制荧光粉的发光亮度，使荧光屏正确重现发端图,像,。,校正,摄像管光电转换特性近似为线性：,而显像管电光转换特性为非线性：,亮度与栅阴压的,次方成正比，显像管重现图像产生,失真。,需在摄像端进行预失真处理即校正：,这样，显示亮度将正比于摄取的图像亮度：,2.1.3,彩色图像的摄取与重现,1.,彩色图像的摄取,同时制彩色电视传送示意图,2.,彩色图像的重现,同时投影混色法,显像管空间混色法,三枪三束荫罩式彩色显像管,2.,彩色图像的重现,显像管空间混色法,彩色显像管,RGB,点阵,新型显示器：液晶显示器，等离子显示器,2.2.1,逐行扫描,2.2,电视扫描原理,矩形屏幕,匀速单向直线扫描,逐行扫描光栅,a.,只有行扫描时,b.,只有场扫描时,c.,场正程扫描,d.,场逆程扫描,e.,消去行场逆程后的扫描光栅,逐行扫描动画,逐行扫描电流波形：,（,a,）行扫描锯齿波电流（,b,）场扫描锯齿波电流,行扫描基本参数,行正程扫描时间,:,T,H t,行逆程扫描时间,:,T,H r,T,H r,T,H t,行,扫描,周期,T,H,=,T,H t,+,T,H r,行,扫描频率,f,H,=,1/,T,H,场正程扫描时间,:,T,V t,场逆程扫描时间,:,T,V r,T,V r,T,V t,场,扫描,周期,T,V,=,T,V t,+,T,V r,场,扫描频率,f,V,=,1/,T,V,场扫描基本参数,行场扫描关系,为获得有效的扫描光栅，电子束水平方向运动速度应远大于垂直方向的运动速度；即：,f,H,f,V,正程扫描时间应占整个扫描周期的大部分，即：,T,H,T,H r,T,V,T,V r,T,H r,/,T,H,=,a,称,行扫描逆程系数,，一般,18,T,V r,/,T,V,=,b,称,场扫描逆程系数,，一般,8,逐行,扫描方式中，每场的光栅都应互相重叠。,设,每场扫描行数为,Z,，则：,T,V,ZT,H,f,H,Z,f,V,即场周期是行周期的整数倍。扫描行数越多，图像越清晰。,返回,2.3.3,2.2.2,隔行扫描,1,.,隔行扫描的提出,要达到人眼要求的最高分解力，扫描行数须在,500,以上,，人眼的临界闪烁,频率要求场频须在,48 Hz,以上。,按我国标准为,625,行，,50 Hz,，按幅型比,4/3,，则每行有,800,个像素，即,400,个周期,则：黑白电视信号的最高频率达,12 MHz,，,即,:,按逐行扫描方式，要求黑白电视信号带宽为：,f,=12 MHz,电子线路系统、频率资源都很难满足要求。,根据人眼的视觉特性：一帧图像分两次扫描，每次称为一,场,，两场合为一,帧,即采用,隔行扫描,方式。,活动图,像,25,帧,/,秒,=50,场,/,秒,临界闪烁频率,=48Hz,每场扫描行数,312.5,行,每帧扫描行数,625,行,即,:,按隔行扫描方式，要求黑白电视信号带宽为：,f,=6 MHz,2.2.2,隔行扫描,2.,隔行扫描光栅的形成,奇数行扫描（奇数场）,一帧图象分两次扫描,偶数行扫描（偶数场）,隔行扫描重现图像示意,2.2.2,隔行扫描,隔行扫描光栅分析,2.2.2,隔行扫描,隔行扫描应满足的基本要求,（,1,）每帧起点相同,要求每帧必须为整数行,（,2,）相邻奇偶两场光栅均匀镶嵌，且各场扫描锯齿波波形 一样,要求每场存在半行，即每帧必须为,奇数行,Z,=2,n,+1,行频与场频关系：,2.2.2,隔行扫描,我国隔行扫描的基本参数,我国电视扫描标准：,隔行扫描，每帧,625,行，每帧两场，每场,312.5,行,帧频：,f,F,=25Hz,场频：,f,v=50Hz,场周期：,T,v,=20ms(,T,vt,=18.4ms,，,T,vr,=1.6ms),行频：,f,H,=25(,帧,)625(,行,)=15625Hz,行周期：,T,H,=64s (,T,Ht,=52s,，,T,Hr,=12s),2.2.2,隔行扫描,3.,隔行扫描的缺点,（,1,）行间闪烁效应,在隔行扫描中，整个画面的变化是按场频重复的，它高于临界闪烁频率因而没有大面积闪烁感。但就每行而言，它仍是按帧频重复的，即每秒重复,25,次，这是低于临界闪烁频率的。所以，当我们观看比较亮的细节时，仍会感觉到行间闪烁。,（,2,）并行现象,a.,真实并行,奇偶光栅并行现象,b.,视在并行,如传送图像中的运动物体在垂直方向上有足够大的速度分量，且每经一场刚好下移一行距离，则后一场传送的细节与前一场相同。所以当视线随运动物体移动时，看起来好像两行变成一行。,视在并行,（,3,）高速水平运动物体出现“锯齿化”现象,如传送图象中的运动物体在水平方向上有足够大的速度分量，物体垂直边缘因隔行分场传送，会发生相邻场光栅中左右错开的“锯齿化”现象。,隔行因子,K,i,2:1,隔行扫描的视在垂直分解力相当于逐行扫描时的分辨力乘上一个隔行因子,K,i,，其值一般在,0.6,0.7,之间。,2.2.3,扫描的同步,1,.,扫描的同步,同步扫描,发送端和接收端的扫描运动严格保持步调一致，即同频同相,。,行不同频：,行频略高,行频略低,原图象,场不同频：,场频略高：图像向下移动；场频略低：图像向上移动,待传送图像,收、发端扫描相差半行,收、发端扫描相差半场,行、场不同相：,2.2.3,扫描的同步,为了实现同步扫描，电视发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲。,同步信号,控制扫描频率和相位的脉冲信号。,2.2.3,扫描的同步,2.,消隐脉冲与复合同步脉冲,消隐脉冲：,扫描逆程期间电子束消隐,扫描逆程期间让信号电平为黑电平，电子束截止，屏幕为黑色，起到消隐逆程光栅痕迹的作用。,行消隐信号,(,或称,行消隐脉冲,),行逆程,12s,则行消隐脉冲脉宽为,12s,，电平为黑电平,场消隐信号,(,或称,场消隐脉冲,),场逆程,1.6ms,则场消隐脉冲脉宽为,1.6ms,，电平为黑电平,2.2.3,扫描的同步,黑电平 行消隐,白电平,行正程,52s 12s,返回,2.4.1,(+12 s),场消隐,1600s (25H),行消隐,12 s,负极性电视信号,行场消隐脉冲波形,同步脉冲,行同步脉冲,发送端行扫描正程结束后发出的脉冲信号，控制接收端行扫描逆程的开始。,(,行同步信号仅起控制行同步作用，不应在,屏幕上显示出来，故应叠加在行消隐脉冲,之上。,),场同步脉冲,发送端场扫描正程结束后发出的脉冲信号，控制接收端场扫描逆程的开始。,(,同理，场同步信号应叠加在场消隐脉冲之上。,),4.7s,1.6s,5.7s,行同步信号,同步电平,100%,黑电平,70%,12s,前肩,分离同步脉冲与图像信号：幅度分离方法,后肩,160s(2.5T,H,),160s(2.5T,H,),1600s(25T,H,),场同步脉冲与场消隐脉冲,行同步,场同步,312.5,行,2.5,行,复合同步信号,复合同步脉冲,分离行同步脉冲与场同步脉冲：,微分与积分方法,行同步分离与,微分电路：,电路参数满足微分条件：,RC=1/5 T,入,出,A,B,（,T,为行同步脉宽,4.7,s,）,即：,=0.5,1s,为解决在场同步期间，行同步失落而造成的行不同步的问题，在场同步脉冲中开槽，对应每行的位置开一个槽，槽宽为：,4.7s,。,开槽脉冲,行,同,步,分,离,波,形,图,场同步分离与积分电路,积分电路：,电路参数满足积分条件：,RC,T,时,(T,为输入信号脉宽,)出,入,A,C,行、场同步分离波形,3.,开槽场同步脉冲与均衡脉冲,问题：,由于最后一个行同步到达奇数场、偶数场的场同步前沿的时间不同，造成积分后积分电容上的起始电压不等，使奇偶相邻两场的,积分波形,不同。同时，奇偶相邻两场的开槽位置不同也使积分波形不同。,造成：,奇偶相邻两场到达同一触发电平时刻不同（相差,t,），使相邻两场的逆程始点相差,t,使相邻两场扫描起始位置不同，影响了隔行扫描的准确性。,措施：,加均衡脉冲、槽脉冲，使相邻两场的复合同步信号通过积分后波形一致。,加开槽场同步脉冲与均衡脉冲方法,方法：,1.,在场同步期间加槽脉冲,2.,在奇偶相邻两场场同步信号的前后,2.5,行每隔半行加一个均衡脉冲，为使每半行加一个脉冲后积分电容上的电压不增加，要把脉冲宽度减半，即,4.7s,的一半为：,2.35,。,前,5,个脉冲为,前均衡脉冲,后,5,个脉冲为,后均衡脉冲,黑白全电视信号,2.3,电视图像的基本参量,概述,电视图像基本特征：,图像的几何尺寸形状、图像的对比度与亮度、,色度（色调与饱和度）、清晰度、图像的连续性。,根据基本特征要求确定电视系统的指标和标准：,扫描参量,帧频、场频、行频、扫描行数,系统通频带,亮度信号频带、色度信号频带,系统,校正系数的确定,系统各种非线性失真系数的确定,荧光粉色度坐标与基准白的确定,彩色电视制式的确定,2.3.1,图像的几何特征,视觉最清楚的范围：垂直夹角,V,=15,水平夹角,H,=20,幅型比,屏幕尺寸,标清电视,4,：,3,34in.,几何失真,行场扫描非线性系数,：,非线性失真系数,10%,时，不感到有严重失真,非线性失真系数,5%,时，感觉不到有非线性失真,几何失真,枕型畸变,桶型畸变,Q,Q,G,G,几何畸变系数,1,时，暗区域可分辨层次减少，亮区域可分辨层次增加；,1,时，亮区域可分辨层次减少，暗区域可分辨层次增加。,三、彩色的非线性失真,光电转换和传输后，三基色信号的,失真：,1,时，,R,d,:,G,d,:,B,d,R,o,:,G,o,:,B,o,，,则重现图,像,产生色度畸变。,假设系统非线性系数为,=2,k,=1,（,1,）,被摄彩色为基色光,。以,Re,为例,F,R,=1R,e,+0G,e,+0B,e,即被摄彩色的色系数之比为：,1:0:0,重现彩色的色系数之比为,1,2,:0:0=1:0:0,色度不变。,同样，被摄彩色为基色,GeBe,也不变。,（,2,）,被摄彩色为白光,C,白,。,F,白,=1/3R,e,+1/3G,e,+1/3B,e,即被摄彩色的色系数之比为：,1/3:1/3:1/3,重现彩色的色系数之比为,(1/3),2,:(1/3),2,:(1/3),2,=1:1:1,色度不变,仍为,C,白,。,（,3,）,被摄彩色为三基色之补色光,。以黄色光为例,F,黄,=1/2R,e,+1/2G,e,+0B,e,即被摄彩色的色系数之比为：,1/2:1/2:0=1:1:0,重现彩色的色系数之比为,(1/2),2,:(1/2),2,:0=1:1:0,色度不变,仍为黄色。,同样，被摄彩色为其他补色也不变。,三、彩色的非线性失真,（,4,）,被摄彩色为色三角形内任意一点的彩色。,如饱和度为,50%,的黄色：,F,黄,5,=1/2 F,C,白,+1/2F,黄,=5/12R,e,+5/12G,e,+1/6B,e,即被摄彩色的色系数之比为：,重现彩色的色系数之比为,:,蓝色分量减少，坐标点向黄色偏移，饱和度增大,三、彩色的非线性失真,结论：,1,、三基色及其三补色的色度不受传输系统非线性系数,的影响，重现彩色在色三角形中的坐标位置不变。,2,、,C,白,的色度坐标不受,的影响，即重现,C,白,坐标位置不变。,3,、其它各种彩色经,1,时的系统传输后，色度坐标将向三角形的三边或顶点方向移动,饱和度,而,1,时，移动方向恰好相反，即向三角形中心或三边中心靠近,饱和度,结论：,2.4,视频图像信号,2.4.1 黑白图像信号,2.4.2 亮度信号、色差信号及其组成原理,2.4.3 标准彩条信号,2.4.1,黑白图像信号,一、黑白图像信号波形,黑白图像信号波形,视频图像信息,单极性,正极性图,像,信号,负极性图,像,信号,(a),被传送图像,(b),行扫描电流波形,(c),摄像管输出图像d),负极性视频信号,(a),i,H,0,t,(b),u,H,0,t,u,H,0,t,（,d,）,二、黑白图像信号频谱,电视图像信号为,0-6MHz,变化随机信号，但它是按行频、场频频率重复变化的相似信号，故其频谱是按行频、场频规律变化的梳状频谱。,静止图像的频谱,只在水平方向有亮度变化的静止图像,这种情况下，每个行扫描得到的图象信号都是一样的（以行频重复的周期性）。为了方便讨论，我们忽略了行逆程。,根据傅立叶分析，频谱是线状谱，位于行频,f,H,及其谐波,n,f,H,上。且,n,越大，能量（幅度）越小（对于我国，,6MHz,带宽最高谐波次数,n=384,）。,H,：行频角频率,C,n,：复振幅,在垂直方向也有亮度变化,信号是以行频和场频重复的，用二维傅立叶级数分解，可得频谱分布图。频谱成份为,n,f,H,m,f,V,，其频谱分布是离散谱线簇,(,谱线群,),，主谱线为,n,f,H,。特点是信号能量集中在行频,f,H,及其各次谐波,n,f,H,的主谱线上，一般能量随,n,增大而衰减。在每个主谱线两旁存在着场频及其谐波的许多副谱线。,一般能量随,m,增大,副谱线能量很快,衰减,。,垂直方向有细节变化,垂直方向有精细细节变化时，两场信号会有差异，其信号波形以帧为周期重复，故频谱应为,n,f,H,m,f,F,（,f,F,为帧频，,25Hz,）。由于垂直方向内容有不小的相关性，所以，帧间差引起奇数倍成份相对较小。,运动图象信号的频谱,对于一般速度运动的物体，形成的帧周期信号波形表现为随运动情况在副谱线两侧的连续频谱。因电视图像相邻行间相关较大，因此以行频及其各次谐波为中心的相邻群之间有信号能量的空白区。,频谱交错原理,利用电视信号的频谱空隙，在不扩展频带的情况下插入彩色信号。,结论：,全电视信号具有在06,MHz,范围内、离散分布的频谱结构。各群谱线间存在着很大的空隙,。,2.4.2,亮度信号、色差信号及其组成原理,彩色图像信号,传输三个视频基色信号,三,视频基色,信号编码传输,与黑白电视实现兼容,彩色信号的传输与兼容制问题（,将在,3,继续分析,）,兼容制彩色电视系统,恒定亮度原理、混合高频原理,亮度信号、色差信号,三基色信号：,E,R,0,、,E,G,0,、,E,B,0,以后简化写：,R,0,、,G,0,、,B,0,经,校正后的电压信号：,R,、,G,、,B,一、恒定亮度原理与高频混合原理,兼容 性与逆兼容 性要求：,彩色电视图,像,信号中要有代表黑白图,像,的亮度信号。,另外再用两个信号传送色度信息。,亮度信号不受传送,色度,信息,的信号的影响，即后者的变化不影响亮度信号，重现图像的亮度只由亮度信号决定,恒定亮度原理,。,混合高频原理,人眼的视觉特性,亮度,分辨力高，色度,分辨力低。,只需传送大面积彩色，并配以亮度细节,大面积着色原理,从信号频带看，亮度用全部视频带宽，色度只用较窄带宽。接收端恢复的三个基色信号的低频部分是亮度和色度信号共同传送的，而高频部分都用同一个亮度信号的高频部分补充。,混合高频原理,实验发现，色度信号的带宽只需,1,2MHz,就使人感到满意。,我国电视标准：色度信号带宽：,1.3MHz,即：彩色信号：,0,1.3 MHz,亮度信号,Y,：,0,6 MHz,相加后的彩色视频信号为：,0,6 MHz,二、亮度信号和色差信号,根据兼容制要求彩色电视系统中所选用的传输信号并非三个基色信号，而是经转换并,代表彩色三个基本参量,的新的传输信号。它们应满足以下要求。,(1),为获得兼容性，须传送一个与黑白电视相同的,亮度信号,。彩色全电视信,号应保持与黑白电视信号相同的频带宽度。,(2),需要传送,两个代表色度的信号,，根据恒定亮度原理，它们不应含有亮度,信息；同时跟据混合高频原理，色度信号可以采用窄带传输。,(3),在传输黑白图像时，三个基色信号相等，,R,G,B,，根据上一条件，这,时两个代表色度的信号应当等于零。,(4),代表色度的两个信号是互相独立的。,(5),三个基色信号与三个传输信号之间的转换关系要简单。,根据上述要求：由亮度方程,Y=0.30R+0.59G+0.11B,可知：,Y,、,R,、,G,、,B,中只需送一个,Y,信号和其中二个基色信号即可。,由于每个基色信息中都含有亮度信息，如果直接传送基色信号，已传送的亮度信号,Y(,为各基色亮度总和,),与所选出的两个基色所包含的亮度参量就重复了，因而使得基色与亮度之间的相互干扰也会十分严重（带宽不同）。所以通常选择不反映亮度信息的信号传送色度信息。,在基色信号与亮度信号相减所得到的,色差信号,(R-Y),、,(G-Y),和,(B-Y),中选取两个代表色度信息。,二、亮度信号和色差信号,由（,NTSC,制）亮度方程：,Y=0.30R+0.59G+0.11B,得色差信号：,R-Y=R-,（,0.30R+0.59G+0.11B,）,=0.70R-0.59G-0.11B,G-Y=G-,（,0.30R+0.59G+0.11B,）,=-0.30R+0.41G-0.11B,B-Y=B-,（,0.30R+0.59G+0.11B,）,=-0.30R-0.59G+0.89B,三个色差信号中只有二个是独立的，常选用,(R-Y),和,(B-Y),两个色差代表色度信号。这是因为对大多数彩色来说，,(G-Y),比,(R-Y),和,(B-Y),数值要小，如选择,(G-Y),对改善信噪比不利。,在已知,(R-Y),和,(B-Y),的情况下，可以容易地求得,(G-Y),。,令：,Y=0.30Y+0.59Y+0.11Y,，并,与亮度方程相减：,0.30,（,R-Y,）,+0.59,（,G-Y,）,+0.11,（,B-Y,）,=0,得：,只传送,Y,、,(R-Y),、,(BY),在接收端根据上式先用矩阵电路解出,(G-Y),，再运算：,(R-Y)+Y=R,，,(G-Y)+Y=G,，,(B-Y)+Y=B,，可恢复出基色信号。,二、亮度信号和色差信号,恒定亮度原理的实现,以,Y=0.30R,0,+0.59G,0,+0.11B,0,=Y,0,表示摄像端获取的原景物亮度；,用,Y,t,、,(R-Y),t,、,(B-Y),t,分别表示传输后的亮度信号和色差信号,（相对于发端而言，可能幅度有所变化或混入了某种干扰）。用于重现彩色图像的三基色,R,d,=(R-Y),t,+Y,t,B,d,=(B-Y),t,+Y,t,G,d,=-0.51(R-Y),t,-0.19(B-Y),tY,t,不考虑显像管的非线性电,/,光转换特性,(,即,=1,，不进行,校正,),的情况,显示的亮度,Y,d,为,Y,d,=0.30R,d,+0.59 G,d,+0.11B,d,=0.30(R-Y),t,+Y,t,+0.59-0.51(R-Y),t,-0.19(B-Y),t,+Y,t,+0.11(B-Y),t,+Y,t,=Y,t,可见重现的亮度,Y,d,只与所传送到接收端的亮度信号,Y,t,有关，,色差信号变化或受到干扰，不影响亮度，,即实观了恒定亮度传输。,考虑显像管的非线性电,/,光转换特性,(,即,1,，进行,校正的情况,),此时只有传送黑白图像恒定亮度才能满足，否则虽然现显示的亮度是正确的，但显示的亮度既与亮度信号有关，又与色差信号有关，恒定亮度原理将不再满足。,恒定亮度原理的实现,对于同一色调的彩色，饱和度越高恒定亮度指数越小，恒定亮度误差越大。对于黑白电视机接收彩色电视，恒定亮度指数是显示亮度与正确亮度之比，对于彩色电视机，恒定亮度指数是亮度信号提供的显示亮度与正确亮度之比。,恒定亮度指数对于黑白电视的亮度重现有影响，当色差信号受到传输中的噪波干扰时，对彩色电视的亮度重现有一定的影响，但影响不大。,恒定亮度原理的实现,三、亮度信号和色差信号举例,（,1,）饱和品红色,设：,R=E,、,G=0,、,B=E,则,Y =0.30E+0.11E=0.41E,(R-Y)=E-0.41E=0.59E,(B-Y)=E-0.41E=0.59E,重现端为彩色接收机时，恢复的三基色电压：,R=(R-Y)+Y=0.59E+0.41E=E,G=,0.51(R-Y),0.19(B-Y)+Y=,0.70.59E+0.41E=0,B=(B-Y)+Y=0.59E+0.41E=E,若对于白色：,R=E,、,G=E,、,B=E,，,Y=E,，,Y=0.41E,表示亮度比白色暗，故品红色在黑白电视机上显示为暗灰色。,（,2,）未饱和品红色,（,R,、,G,、,B,都不为零是未饱和色）,设：,R=E,、,G=0.2E,、,B=E,则,Y =0.30E+0.590.2E+0.11E=0.53E,R-Y)=E-0.53E=0.47E,(B-Y)=E-0.53E=0.47E,重现端为彩色接收机时，恢复的三基色电压：,R=(R-Y)+Y=0.47E+0.53E=E,G=,0.51(R-Y),0.19(B-Y)+Y=,0.70.47E+0.53E=0.2E,B=(B-Y)+Y=0.47E+0.53E=E,可见亮度信号比饱和品红色的大，在黑白电视上显示更浅一些的灰色。,三、亮度信号和色差信号举例,（,3,）未饱和黄色,设：,R=E,、,G=E,、,B=0.2E,则,Y =0.30E+0.59E+0.110.2E=0.91E,(R-Y)=E-0.91E=0.09E,(B-Y)=0.2E-0.91E=,0.71E,重现端恢复的三基色电压：,R=(R-Y)+Y=0.09E+0.91E=E,G=,0.51(R-Y),0.19(B-Y)+Y,=,0.510.09E+0.19 0.71E+0.91E=E,B=(B-Y)+Y=,0.71E+0.91E =0.2E,Y=0.91E,，在黑白电视上显示接近峰值白色的浅灰色。,三、亮度信号和色差信号,举例,2.4.3,标准彩条信号,1,、标准彩条信号,白,黄,青,绿,品,红,蓝,黑,彩条百分比表示法：,100%,饱和度,100%,幅度彩条,彩条最小幅度为,0,，最大幅度为,1,95%,饱和度,100%,幅度彩条,彩条最小幅度为,0.05,，最大幅度为1,100%,饱和度,75%,幅度彩条,最小幅度为,0,，彩条最大幅度为,0.75,幅度是指彩条信号中，彩条信号电压,幅度,相对于白条信号电压幅度的相对值。,彩条百分比表示法的三基色信号均指未经,校正,2.4.3,标准彩条信号,彩条信号由百分比表示时，其百分比幅度和饱和度的计算：,幅度,=E,max,E,W,100%,饱和度,=(1-E,min,E,max,)100%,式中，,E,max,和,E,min,为彩条信号电压,R,0,、,G,0,和,B,0,中的最大值和最小值；,E,W,为白条所对应的,R,0,、,G,0,、,B,0,电压值,。,2.4.3,标准彩条信号,彩条四数码表示法：,第一、第二表示组成白条和黑条的,R,、,G,、,B,的最大值,(%),和最小值,(%),；,第三、第四表示组成彩色条的,R,、,G,、,B,的最大值,(%),和最小值,(%),；,以上幅度是指,校正后的信号，并且以白条的基色幅度作为,100,（）。,如,:100-0-100-0,彩条,100-0-75-0,彩条,彩条信号由四数码命名时，其百分比幅度和饱和度的计算：,饱和度,=1-(E,min,E,max,),100%,幅度,=E,max,E,W,100%,式中，,E,min,和,E,max,分别对应彩条信号,R,、,G,、,B,的最大值,(%),和最小值,(%),；,E,W,为白条所对应的,R,、,G,、,B,的信号幅度,(%),。,2,、,100-0-100-0,标准彩条三基色信号电压波形,彩条三基色：,标准彩条,标准彩条红基色,标准彩条绿基色,标准彩条蓝基色,彩条三基色系数：,白,黄,青,绿,紫,红,蓝,黑,R,1,1,0,0,1,1,0,0,G,1,1,1,1,0,0,0,0,B,1,0,1,0,1,0,1,0,100-0-75-0,标准彩条,三基色信号电压波形,2.5,视频图像信号的数字化与分量编码,2.5.1 电视信号数字处理的优点,2.5.2 数字电视信号的产生和复原,2.5.3 分量编码,2.5.1,电视信号数字处理的优点,抗干扰、抗非线性失真能力强。,便于存贮。,便于实现包括时间轴的三维数字处理，实现模拟电视不能实现的功能。,大规模集成。易于调整，体积小，寿命长。,便于与其他数字设备接口。,电视信号数字处理简要框图,A/D,转换器,D/A,转换器,数字处理器,模拟信号输入,模拟信号输出,（编码器,Encoder,）,（解码器,Decoder,）,2.5.2,数字电视信号的产生和复原,全信号编码,采样频率,满足采样定理,彩色副载波的整数倍（,3-4,倍）,逐帧固定的正交空间点阵,副载波：,NTSC 3.57954506MHz,PAL 4.43361875MHz,量化等级,8bit 10bit 11bit,过载保护带,2.5.3,分量编码,一、采样频率,三种制式并存使节目制作、节目交换、设备生产带来不便。希望统一,遵循采样定理,电视信号具有正交结构,即第二行采样点在,第一行正下方,一、采样频率,对于,525,行系统，带宽约为,4.2MHz,对于,625,行系统，带宽约为,5.6MHz,如何选择采样频率以满足正交结构？,采样频率应为行频的整数倍,ITU-RBT.601,规定,亮度信号采样频率,13.5MHz,色度信号采样频率,6.75MHz,，且空间同位,2.5.3,分量编码,4,：,2,：,2,标准,/625,行制,4,：,2,：,0,标准,/625,行制,4,：,1,：,1,标准,/625,行制,4,：,2,：,2,标准,/525,行制,4,：,2,0,标准,/525,行制,4,：,1,：,1,标准,/525,行制,每帧有效行数,亮度,色度,576,576,576,480,480,480,576,288,576,480,240,480,每行有效像素,亮度,色度,720,720,720,720,720,720,360,360,180,360,360,180,帧频,/Hz,25,25,25,30,30,30,幅型比,4,：,3,4,：,3,4,：,3,4,：,3,4,：,3,4,：,3,分量编码采样标准,二、量化等级,电视信号一般采用,8bit,量化，即有,256,个量化等级,亮度,Y,幅度：,01V,，,R-Y,幅度：,-0.7010.701V,，,B-Y,幅度：,-0.8860.886V,，动态范围不一致,引入压缩系数：将动态范围限制为,1V,C,R,=K,R,（,R-Y,），则,K,R,=0.5/0.701,C,B,=K,B,（,B-Y,），则,K,B,=0.5/0.886,动态范围为：,-0.50.5V,2.5.3,分量编码,Y=0.299R+0.587G+0.114B,C,R,=K,R,（,R-Y,）,=0.500R-0.419G-0.081B,C,B,=K,B,（,B-Y,）,=-0.169R-0.331G+0.500B,亮度信号采用自然二进制码，色差信号采用偏移二进制码。,为了防止量化过载，预留过载保护带。,2.5.3,分量编码,三、数字接口,ITU-R BT.656,定义了一个并行的硬件接口用来传送一路,4:2:2,的,C,B,YC,R,Y,的数字视频流。硬件接口由,8,根数据信号,(01FE),和,1,根时钟信号,(27MHz),组成。,三个数字分量时分复用，传送次序是：,C,B,，,Y,，,C,R,，,Y,，,CB,，,Y,，,C,R,，,定时基准：,SAV,EAV,FF 00 00 XY,2.5.3,分量编码,