第二章 电视传像基本原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 电视传像基本原理,主要内容：,图像传送及接收扫描原理,电视图像扫描技术,视频图像信号,数字化,2.1,电视系统组成原理,色的问题已经解决，着手考虑系统，怎样把复杂的图形、变化的图象传送出去。,2.1.,1,顺序传送原理,光线的强弱 电压高低,各处强度并不相等，既是时间的函数，又是空间的函数（四维，三组）：,亮度,L=,f,L,（,x,，,y,，,z,，,t,）,色调,H=,f,H,（,x,，,y,，,z,，,t,）,饱和度,S=,f,S,（,x,，,y,，,z,，,t,）,先考虑黑白平面图象（三维一组）：,L=,f,L,（,x,，,y,，,t,）,没法用“一个”时变电压来表示。,一、分解为象素,好在图象可以由有限个点组成,物质是不连续的，由颜料的颗粒决定,人眼分辨率不高，不必重现无数个点,广播电视约,40-50,万个点,设计系统,光电管产生电压，发光管显示,二、顺序传送,每个象素一条信道不现实,视觉有惰性，轮流传送，轮流复制,这样空间的象素被分布到时间上了,转换开关应当同步，保证象素一一对应,在相应的位置做上记号？,传送原理：把图象分解为象素，顺序传送,黑白只需一个信号电压,彩色信号有三路电压：,R,、,G,、,B,？,L,、,H,、,S,？,改进,上述系统太粗糙、太慢：,光电管 摄象管,发光管 显象管,同轴开关 同步机控制电子束,转换 电子束扫描,2.1.,2,光电转换原理,一、摄象,以光导管为例：,某些材料在光照下能改变电阻率,电子束扫过各个象素，光照不同，电导不同，电流不同,，,R,上电压降不同。,接收机按照这个信息重新描画出图象,上面的信号亮度越大，电压反而越低，叫负极性视频信号,CCD,摄像,用半导体材料制成许多像素,在光照下各像素积累电荷,用移位寄存器的方法将电荷顺序读出,（详见第五章）,二、显象,用来复制图象,电子枪：按亮度信号发射电子，产生象素,偏转线圈：按次序将象素在空间排列,荧光屏：受激发光,与音频信号,相比，多了,空间信息，,需正确排列。,2.1.3彩色摄象与重现,三要素不好拍摄，拍三基色,彩色显象,形成三色分象,合成彩图,投影电视,彩色显象管,三支电子枪，按各自信号发射，打各自的粉,用荫罩板防止互相干扰,品字型荫罩管,一字型荫罩管,2.2,电视扫描原理,拾取象素的次序有许多方式，电视系统采用匀速、单向、直线扫描,（雷达系统采用圆周扫描）,电子束垂直运动：场扫描,(V)vertical,电子束水平运动：行扫描,(H)horizontal,水平、垂直联合运动形成光栅,电子束偏转,加电磁力,电场力,-,称为静电偏转,磁场力,-,称为磁偏转方式,显像管中采用磁偏转方式。即在显像管管颈外面套上一对使电子束产生水平（行扫描）运动的偏转线圈和一对使电子束产生垂直（场扫描）运动的偏转线圈。,偏转线圈,以行扫描为例,磁场 电子束,负最大 最左边,渐小 向中,O,正中间,渐大 向右,正最大 最右边,2.2.1,逐行扫描,每帧图象分解为若干（,Z,）,行,从上到下逐行扫过,所以,T,v,=Z T,H,f,H,=Z f,v,扫描光栅,扫描参数,我国规定：行逆程占,18%,场逆程占,8%,当扫描行（,Z,）,足够多，扫描线近似水平,要使图象连续,25,帧,/,秒,要使图象不闪烁,40-50,次,/,秒,每秒总信息量,50,40,万！,2.2.2,隔行扫描,要达到一定的清晰度，要,40-50,万个象素,要人眼看起来不闪烁，要重复,40-50,次,/,秒,能不能让,25,帧图象闪烁,50,次？,隔行扫描,未必要从上到下挨个传送,例：抄文件，先写,1,、,3,、,5,、,7,、,9,行,再写,2,、,4,、,6,、,8,、,10,行,隔行扫描优点,大面积闪烁 行间闪烁,节省带宽一半，各国无例外采用,为了保证隔行扫描的正确性，每帧应分解为奇数行,Z=2n+1,隔行扫描光栅,为什么要奇数行，讨论每场光栅的起点：,从水平方向看 每场开始处必定偏离半行,从垂直方向看 第二场整行开始处，离屏幕顶部迟半行时间的高度,隔行扫描缺点,行间闪烁：高亮度、近距离、大视野尤著,并行 真并：垂直同步不良时,假并：看垂直运动物体时,垂直边沿锯齿化：看水平运动物体时,爬行：传输失真时,上一课主要内容,彩色传输方法（分解为三基色）,电视系统基本原理：分解为像素，顺序传送,摄像、显像基本原理,电子束扫描,逐行扫描,隔行扫描（优缺点？）,2.2.3,同步与消隐,电视信号组成：,图象信号,黑白信号 消隐信号,同步信号,一、消隐信号,作用：消去电子束回头时的轨迹，以免干扰,方法：加周期性的黑电平，使电子束截止,我国规定：每秒,25,帧（,50,场），每帧,625,行,算出：每场,20ms,逆程,占,8%1600,s,每行,64,s,逆程,占,18%12,s,二、同步信号,扫描后，象素按时间轴排列，何处“另起一行”，何处“另起一页”？,如果做不到，则图象扭曲、翻滚、甚至不成图象,（一千块儿童智力拼图？）,不同步图象举例,例一：垂直扫描正确，水平扫描太快；,例二：水平扫描正确，垂直扫描太快；,例三：行频正确，相位差,180,度；,例四：场频正确，相位差,180,度；,例五：水平、垂直都差,180,度。,所以必须严格同步,最好用同一条信道传送同步信号，要与图象、消隐信号有区别：幅度,10,：,7,行、场还要有区别：宽度,4.7,s,、,160,s,波形如图,微分后得行同步,积分后得场同步,问题一：场同步期间无行同步,解决方法：在场同步上开槽,问题二：奇偶场积分波形不对称,解决方法：开双倍的槽，加前后均衡,微分脉冲多了一倍，但离行同步位置较远，没有影响。,有开槽和均衡脉冲积分器输出,三、黑白全电视信号,黑白图象（亮度）信号,行同步,全电视信号 复合同步脉冲 开槽的场同步,前后均衡脉冲,行消隐,复合消隐,场消隐,正极性黑白全电视信号,白电平,黑,电平,同步电平,2.,3,电视图象的基本参量,以上研究的是基本原理,下面研究技术细节,2.,3.1,几何特征,人眼的黄斑区：水平,20,，垂直,15,所以电视图象幅型比：,4,：,3,考虑双眼视场左右叠加,下一代电视幅型比：,16,：,9,电视屏幕以最大偏转角,对角线尺寸表示,如：,31cm(12”),、,64cm(25”),、,74cm(29”),图形的失真,非线性失真,几何失真（枕形、桶形）,其他干扰,2.,3.2,场扫描频率,依据人眼视觉惰性决定,残留时间,0.1,秒,f,10Hz,临界闪烁频率,40-50Hz f,50Hz,（,越大越好）,要节省传输频带 （越小越好）,要减少电源干扰 与电源同步,历史遗迹，现在不必要也不可能,2.,3.3,扫描行数及有关参数,系统有“分解力”图象有“清晰度”,客观能力 主观感受,行数越多，象素越细，越清楚。,到底要多少才能满足人眼的需要？,一、垂直分解力,与扫描行数有关，但不相等。,逆程占去一些，正程不全有效,内容是随机的，取统计系数,k,垂直清晰度（按我国标准）,：,M=k(1+,)Z 0.75,(1-8%)625,=431,（,线）,576,个象素,二、水平分解力,水平扫描是连续的，理论上有无限象素,但：电子束有一定截面，不能无穷小,花纹越小频率越高，信道带宽有限,选,水平清晰度与垂直清晰度相当,最为合理,N=KM=,4/3,M,4/3 431=575,（,线）,实际电子束截面与信道带宽未必相符,折合到数字电视水平象素应为,760,个,实际,SDTV,是,720,576,三、扫描行数,Z,清晰度 信号带宽 不呈正比,视角,15,，视力分辨角,1-1.5,要,600-900,线,照顾带宽，,选,625,行（美国,525,行）,清晰度达,96%,HDTV,选,1125,、,1250,行,（,1080,个有效像素）,四、图象信号最高频率,设图象是以最大分辨力的黑白小点组成,求信号频率,方法：找周期（以我国为例）,行频：,25,帧,/,秒,625,行,=15625Hz,行周期：,1/15625=64,s,分辨力：,N=575,即,288,个周期，在正程,T,d,=(1-18%)T,H,/288=0.18,s,所以：,f,max,=1/T,d,=5.55MHz,我国规定,BW=6MHz,，,分辨力稍大于垂直方向。,（实际不一定达到）,2.3.4,亮度与色度的非线性失真,因为系统（主要是显象管电子枪）失真,黑白显象管造成亮度,非线性失真,亮度层次的几何阶梯的级差发生变化,彩色,显象管造成色度,非线性失真,因为三基色未必相同，失真不同，影响比例！总量代表亮度,比例代表色度,例,白色：,F=1/3R+1/3G+1/3G,平方失真：,1/9,：,1/9,：,1/9,，只影响亮度,饱和黄色：,F=1/2R+1/2G+0B,1/4,：,1/4,：,0,，,只影响亮度,不饱和黄色：,F=2/5R+2/5G+1/5B,4/25,：,4/25,：,1/25,，,还影响饱和度,橙色：,F=2/3R+1/3G+0B,4/9,：,1/9,：,0,，,还影响色调,结论：色度图中，颜色向边线顶角移动,所以黑白电视系统必须对亮度进行校正,彩色电视系统必须对三基色分别校正,因为人眼对色调变化特别敏感，,彩色校正要求很严格,2.,4,视频图象信号,“视频”（,Video),的名称相对于“音频”,(Audio),“AV”,这个名词就是指音视频,这里从最简单的图形开始研究,2.,4.1,波形,1.,全黑,高电平（直流）,2.,全白,低电平（直流）,3.,上白下黑横条,50Hz,方波,4.,四条黑白横,条,100Hz,方波,5.,左白右黑竖条,15625Hz,方波,6.,四条黑白竖条,31250Hz,方波,7.,亮度递减的竖条,行频及高次谐波,规律,横条越多，场频的高次谐波越多,竖条越多，行频的高次谐波越多,8.,既有水平变化，又有垂直变化：,场频为包络、行频为载波的调幅波？,频谱,周期性函数,离散频谱,1.2,图：直流,5.6.7,图：行频及高次谐波,34,图：场频及高次谐波,8,图：把场频及谐波调制到行频及谐波上,电视图象信号是一簇簇以行频谐波为中心的离散谱线。中间有空隙！,变异,垂直方向变化不大，三角形较瘦,水平方向变化不大，簇数减少（不,到,6MHz,）,活动图象：严格地说不是周期函数（,P75,）,但活动速度远小于扫描速度，频谱结构类似,隔行扫描：两场有点差异，有一点,25Hz,谱线,2.4.2,亮度、色差信号,彩色图象信号：,用分光系统分别拍摄,R,o,、,G,o,、,B,o,信号,拍摄方法相同，频谱相同,经,校正后称,R,、,G,、,B,（,表示电压了）,但是不能直接传送它们。,一、兼容问题,黑白机能接受彩色电视信号,兼容,彩色机能接受黑白电视信号,逆兼容,所以,1.,不能传输,R,、,G,、,B,2.,要使黑白机能工作，必须有亮度（,Y,）,信号,3.,另外两个彩色信息要在原有的带宽内传输,用,R,？,G,或,B,？,单人沙发不可能坐三个人，挤个小孩或许行,找带宽小的信号：,花纹越小，分辨率越高，频率越高,人眼对黑白分辨率高对彩色分辨率低（,P15,），,找不含亮度的信号，可降低带宽,二、恒定亮度原理与高频混合原理,亮度（,Y,）,信号带宽优先，希望彩色亮度由它“恒定”不受其他信号干扰,恒定亮度原理,小花纹不用着色（人眼看不清）,大面积着色原理,小的黑白花纹（高频）也是由,RGB,产生，让,R=G=B=Y,高频混合原理,上一课主要内容,扫描行数的选择,图像信号最高频率,非线性失真,图像信号波形、频谱,恒定亮度原理、大面积着色原理、高频混合原理,亮度、色差信号,三、亮度信号与色差信号,亮度：,Y=0.30R+0.59G+0.11B,色差：,R-Y=R-,（,0.30R+0.59G+0.11B,）,=0.70R-0.59G-0.11B,G-Y=-0.30R+0.41G-0.11B,B-Y=-0.30R-0.59G+0.89B,带宽：,1.3-1.5MHz,1MHz,时,95%,的人认为“可以”,只要三个独立信号，第四个是多余的。,色差信号的优点：带宽窄，恢复三基色易,R=,（,R-Y,）,+Y,接收机中,GG-Y,）,+Y,B=,（,B-Y,）,+Y,因为色差没有高频分量，所以高频时都是,Y,高频混合,低频（大面积）有色差，所以大面积有色,2.4.3,标准彩条信号,彩色系统测试信号，检查系统工作是否正常,三基色、三补色、黑白，按亮度排列,幅度规范：,100 0 100 0,黑白范围 彩色范围,三基色波形类似数字系统的二进制码,会用亮度公式计算各个波形,例：,白条包含红绿蓝，黑白范围在,0-100%,变化,Y,白,=10.30+10.59+10.11=1.00,R-Y=1.00-1.00=0,，,B-Y=1.00-1.00=0,黄条包含红绿，彩色范围也在,0-100%,Y,黄,=10.3010.59+00.11=0.89,R-Y=1.00-0.89=0.11,，,B-Y=0-0.89=-0.89,以此类推,2.5,图像信号数字化,数字通信优点：,抗干扰和噪声的能力强传输可靠性高,发射机功率低,节约频谱,数字信号便于处理,便于实现多媒体、多功能和智能化,A/D,转换,脉冲取样,取样点越多信号越精确；,但需要处理的数据增加。,取样信号的频谱,取样频率,奈奎斯特取样理论,:,取样频率,f,s,应大于等于信号最高频率,f,m,的两倍,即：,全电视信号取样频率大于,12,MHz,最好是副载波的整数倍（,3,倍？,4,倍？）,分量信号按图像的像素个数,（抛弃取样的概念）,色度子取样,4,:,4,:,4 4,:,2,:,2 4,:,1,:,1 4,:,2,:,0,人眼对于色差信号分辨力较低，像素可以减少,量化,用一组指定的电平近似地表示连续无限个电平。,指定的电平数越多则越精确、误差越小，失真则越小。,这种误差组成了量化噪声。,PCM,编码,当取,n,位二进制码：,信号最大峰值为,2,n,/2,个量阶,量化噪声的最大峰值,1/2,个量阶,信噪比,2,n,根据人眼对亮度层次的分辨力,（,100-200,级）,图像信号的量化电平通常不低于,8,位,（高档的用,12,位甚至更高）,D/A,转换,