电视图象的基本参量.doc

§1.5 电视图象的基本参量
在最理想的情况下，显象管荧光屏上重现图象应该和原景物一样。就是说它的几何形状，相对大小、细节的清晰程度、亮度分布及物体运动的连续感等，都要与直接看景物一样。实际上要做到完全一样是不可能的。对于黑白电视来说，电视图象主要有以下几个参量。
1.5.1 图象的几何特性
根据人眼视觉特性，视觉最清楚的范围是在垂直视角约15°、水平视角约20°的矩形面积之内。根据这一特点，目前各国电视机屏幕都采用矩形，宽高比为4∶3；但有些显象管为了节约扫描功率，采用5∶4的宽高比。在高清晰度电视中，普遍认为幅型比取5∶3更为适宜。屏幕的大小常用对角线尺寸来衡量，并习惯于用英寸表示，如9英寸（23cm）、12英寸（31cm）、16英寸（40cm）、19英寸（47cm）等。
另外，电视屏幕上重现图象的形状、大小、相对位置应该与原来景物相似。几何形状的不一致叫图象畸变，畸变程度可用棋盘图形来测定。图1.5-1（a）的电视测试信号发生器发出的棋盘格图形，收端如果正确重现这个图形，则电视系统没有图象畸变。可是，由于行、场扫描锯齿波电流线性不良，如图1.5-1（d）、（e）所示，将会产生图象非线性畸变，如图1.5-1（b）和（c）所示。
对于这类图象的非线性畸变，可以分别用行、场非线性失真系数βH和βV表示，即：

实验表明：当非线性系数小于10％时，观众一般是不会感觉到有图象畸变的。另外，由于显象管或偏转系统不良等原因，还会产生另一种图象畸变，如图1.5-2所示。图（a）称为枕形畸变（失真），图（b）称为桶形失真，可用几何畸变系统Dg表示光栅几何畸变的程度，即：

； （1.5-2）
实验表明：Dg小于3％时，图象几何畸变尚不显著。通常，在接收机的扫描电路中设有校正电路，对上述两种畸变加以校正。
1.5.2 图象的亮度、对比度与灰度
一、电视图象的亮度
这里是指图象的平均亮度。根据人眼视觉特性，并不要求电视图象恢复原来景物的亮度，这就给确定电视图象的亮度较大的自由度；但是不同的环境亮度要求电视图象具有不同的平均亮度，以保证重显必需的对比度和亮度层次（灰度），使人们长时间观看时不致于过分疲劳。
根据实际要求，电视图象的平均亮度应不小于30尼特，最大亮度应大于60～150尼特。
二、电视图象的对比度与灰度
图象中最亮处的亮度（Bmax）和最暗处亮度（Bmin）之比称为对比度（C），即：C＝Bmax/Bmin。当计及环境亮度Bφ时的对比度。

因此，观看电视时外界的杂散光线照射到屏幕上，就会使屏幕暗处的亮度增加而造成对比度下降。
电视图象是由许多亮度不同的象素组成的，图象从亮到暗之间的亮度层次称为灰度。如果能分辨的亮度层次越多，图象就显得越细腻、柔和。一般来说，对比度C越大，图象黑白层次应当越丰富。另外，能分辨的黑白层次还受ζ值的限制。若已知图象对比度，根据人眼的对比度灵敏度阈ζ，可以用如下方法计算能分辨的亮度层次。
设图象最小亮度为Bmin=B1，人眼所能分辨的第二级亮度为：
B2＝B1＋ζB1＝（1＋ζ）B1
第三级亮度为：
B3＝B2＋ζB2＝（1＋ζ）2B1
依此类推，所能分辨出的第n级亮度Bn为：
Bn=（1＋ζ）n-1B1＝Bmax
所以对比度

如果对等式两边取对数，经整理后，可得眼睛所能分辨的亮度层次为：

当ζ<<1时，上式简化为：

由上式可知，人眼所能分辨的亮度层次与图象对比度的对数成比例，与对比度灵敏度阈ζ成反比变化。
根据人眼视觉特性，对主观感觉来说，重现图象应与实际景物具有相同的对比度和灰度，这样，就能给人以真实感觉。
实际景物的对比度一般都不超过100。因为，在一定照度下，最后的募过于白石膏，其反向系数接近于1；最黑的募过于黑丝绒，其反射系数为0.01。因此为了不失真地传送图象，要求重现图象的对比度也为100。由于实际环境亮度的影响，所以重现图象的对比度往往达不到100，一般能达到30～40也就满意了。
当C＝40，ζ＝0.05时，得n=74；而C＝10时，n=46。在电视屏幕亮度高时，50Hz场频引起闪烁感，造成分辨力下降，因此实际ζ值比0.05还大些，结果使得电视图象的黑白层次有所降低。
1.5.3 图象清晰度与电视系统分解力
一、图象清晰度
它是指人主观感觉到的图象重现景物细节的可懂与逼真的程度。分别用人眼在水平方向或垂直方向所能分辨的象素数来定量描述，相对应的称为水平清晰度和垂直清晰度；并用“级数”或“行数”作单位。清晰度既与电视系统本身的分解力有关，也与观察者的视力状况有关。在评价图象清晰度时，应由一批视力正常的观众或专家来进行。
如果人眼最小分辨角（视敏角）为θ，在分辨力最高的垂直视线角15°内所能分辨的线数应为：
Z＝15°/θ
当θ分别为1′、1.5′、2′时，Z对应的为900线、600线、450线。由于人眼长期观看图象容易疲劳，一般取θ＝1.5′。所以，电视图象的垂直清晰度应为600线左右。
二、电视系统的分解力
它是指电视系统本身分解象素的能力，它不受人眼视力的影响。电视系统分解力的高低，可以通过专用仪器来测定。一般来说扫描行数越多，电子束聚焦适中，信道通频带越宽，电视系统的分解力越高。
1. 垂直分解力（M）
垂直分解力是指沿着图象垂直方向上能够分辨的象素数目。其一，它与分解图象有效行数（1－β）Z成正比；其二，它与扫描电子束和被扫描象素的相对位置有关，如图1.5-3所示。当电子束与被扫描象素位置最佳时，如图（a）的左列所示，分解力M＝

（1－β）Z为最高；当两者相互位置如图（a）的中列所示时，分解力最低。只有将垂直象素点减半，方可分解，故M＝（1－β）Z/2。根据大量图象的统计平均得到：

式中，k1=0.7是克尔（Kell）系数。按我国电视标准，Z＝625，β＝0.08，故M≈400线。这相当于视力只有0.5（即视敏角为2′）的人所能分辨的线数，故目前的电视图象是不够清晰的，要实现高清晰度电视，增加行数势在必行。
2.水平分解力（N）
电视系统沿着图象水平方向能分解的象素数目叫做水平分解力。水平方向的分解力由电视通道设备的通频带宽度和电子束横截面的大小决定。
图1.5-4是一幅黑白相间的竖条图象，对应电视信号是以行周期重复的一串矩形脉冲。显然，沿水平方向条弦数越多，一行内的电压变化次数越多，信号频谱也就越宽。由于传送通道的频带宽度总是有一定限制的因而水平分解力也受到限制。

下面讨论电子束的横截面对水平分解力的影响。①在图1.5－4中，如果电子束截面无穷小，则相应信号波形是理想的矩形脉冲；若电子束直径与条纹宽度相当时，则相应信号将是具有一定直流成分的正弦波。②设所传送图象亮度如图1.5-5（a）所示，从左到右亮度从L1跃降到L2，由于发端电子束直径d不是无穷小，故摄象管输出信号不能从U1跃降到U2，产生一定宽度的过渡（如图b）；另外，设显象管的电子束直径与象素的相对尺寸与发端相同，则重现的亮度将延伸2倍象素的宽度，如图1.5-5（c）所示。使图象的边缘和细节展宽。③当图象细节的尺寸小于电子束直径时，不仅产生边界

的模糊，还导致形成的电视信号幅度减小，如图1.5-6所示。当细节小到一定程度时，电视信号的幅度变化甚至看不出来，使水平方向图象细节对比度降低。
综上所述，水平分解力受到收发端电子束直径大小的限制，这种现象称为孔辣阑效应。其中，摄象管的孔阑效应影响是主要的。为此，在发送端的通道中采用孔阑校正电路来加以补偿。研究表明：孔阑效应虽使图象信号的高频分量幅度下降，但是这些频率分量的相位并不改变，这一点对设计孔阑校正电路是重要的。
可见，要提高水平分解力，必须要求扫描电子束足够细；但如果太细了，在规定的扫描行数下，又不足以覆盖整个画面，使行与行之间有明显的空隙，从而降低了传输效率。因此，电子束直径的大小要适当，一般以等于一帧画面的高度除以扫描行数为宜。这样，当扫描行数选定后，电子束直径的大小和水平方向的分解力也就大致决定了。
实验表明，水平分解力与垂直分解力相当时图象质量为最佳。因此，考虑到光栅宽度为高度的k（幅型比）倍，所以，水平方向的分解力（也就是一行内所必须分解的黑白条纹数）为
（1.5-7）
视频通道的通频带则应当满足这一水平分解力的要求。
1.5.4 视频信号带宽、场频与扫描行数的确定
一、视频信号的频带宽度
图象信号又称视频信号。欲求其频带宽度，必须知其最高和最低频率。图象信号的最低频率几乎接近于零。图1.5-7（a）、（b）、（c）所示的图象对应的频率分别为：15625Hz、31250Hz和50Hz。任一景物（或图象）都有一定的背景亮度，反映在图象信号上是信号的直流分量，其频率接近于零。
图象细节越细，信号的频率越高。假设传送一幅全是细节的图象，其细节大小相当于一个象素，即等于一个扫描点的大小。由式（1.5-7）知，在行正程时间THt内水平方向能分解N=kk1（1－β）Z个象素，所以沿水平方向扫过一个象素所需的时间为：

孔阑效应表明：扫描电子束直径与象素大小相当时，其图象信号近似为正弦波，故图象信号的最高频率为：

在逐行扫描情况下，fv＝fp，所以

在隔行扫描情况下，，因此

按我国电视标准：k=4/3，fv＝50Hz，Z＝625，α＝18％，β＝8％，k1＝0.7。若采用逐行扫描，则Δf＝fmax－fmin=fmax≈10.2MHz；若采用隔行扫描，则Δf≈5.1MHz。上述结果正符合通信系统中传送信息的时间和带宽成反比例的基本规律。对于每帧图象信息，逐行扫描所需要时间为：1/fF=1/fV=1/50=20ms，而隔行扫描所需要时间为：1/fF=1/0.5fV=1/25＝40ms。由于隔行扫描的传送时间增加一倍，所以传送信号带宽减少一倍。又因为隔行扫描的场频仍然是50Hz，故可以保证图象无闪烁感觉，因此世界各国的电视都毫无例外地采用隔行扫描。根据上述计算结果，我国视频传输通道的通频带规定为6MHz。
二、场频的确定
选择场扫描频率时，主要考虑光栅无闪烁、不受电源干扰，传送活动图象有连续感、图象信号占用带宽尽可能窄等因素。
从式（1.5-9）知，若要图象信号频带窄，场频应降低。若要求电视图象中人物的动作有连续感，即没有跳动的感觉，根据电影的经验，利用人眼的视觉惰性，如果每秒钟换帧在20次以上，就能很好地反映一般运动速度的活动景象，使人产生连续感。场频定为20～25Hz，可以满足活动景物的连续感。但是，此时存在着大面积的光栅闪烁，长时间观看，容易造成疲劳。为了避免光栅的闪烁，场频一定要大于监界闪烁频率，即fv≥48Hz。
为了避免电源的干扰，场频应与电源频率相同并且锁定。若场频与电源频率不相同，接收机电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图象会产生扭曲摆动和“滚道”现象（即图象上出现一条宽的横亮暗带上下滚动）。如果场频与电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。随着彩色电视的发展，远距离传输电视信号的发展和国际间交换电视节目的日益频繁，场频与电源同频锁相的关系已经无法保持了。现代接收机的生产工艺水平已能克服这些电源的干扰，因此场频与电力网频率相同的要求并非必要。但是目前各国的场频还是与本国的电源频率相同，所以我国电视的场频等于50Hz。
由于新式显象管的屏幕亮度不断提高，临界闪烁频率已经超过50Hz，所以场频选60Hz为宜。
三、扫描行数Z的确定
扫描行数的确定，主要考虑图象的清晰度与图象信号带宽两方面的因素。由式（1.5-6）和式（1.5-7）可知，当行数Z增加时，图象清晰度增加。由于图象信号带宽Δf与行数Z的平方成正比，行数增加会使带宽急剧增加，视频带宽的增加会使在一定波段中可安排的电视频道数目减少；同时，视频带宽的增加将导致电视设备的复杂化。
当屏幕的高度h与观看距离L等于1：4时，整个屏幕（幅型比为4：3）恰好落入垂直视线角为15°、水平视线角为20°的区域，此时人眼分辨力最高。前面已经指出，当人眼分辨角为1′、1.5′和2′时，电视图象垂直方向（对应视线角为15°）极限的清晰度应为900线、600线和450线。若取垂直清晰度为600线考虑，则扫描行数Z 应为
（线）
此时图象信号带宽按式（1.5-9）计算为Δf＝11.4MHz。即采用隔行扫描，信号带宽也接近12MHz。这样宽的频带对信道的利用很不经济，造成电视设备的复杂化。为了折中考虑，目前的广播电视一般取525行和625行，我国广播电视采用625行。
为了进一步提高电视的质量，使之达到35mm电影的水平，世界上发达的国家都在积极研究高清晰度电视，这种电视的扫描行数增加到1000行以上，视频信号带宽相应地在10MHz以上。