电视图像转换原理与电视信号.ppt

西藏大学理学院 彩色电视原理,1,第二章：电视图像转换原理与电视信号,2.1 电视传像原理-2.1.1 顺序传像原理,无线电广播中的声音信号、电视广播中的光学图像信号在传送时首先都要转换成相应的电信号。广播中声音的电信号：是时间的一维函数，即只随时间而变化。电视中光学图像电信号：是空间（二维、三维）和时间的函数，即不同空间位置的光分布各有不同，同时该信号也是随时间变换。,2.1 电视传像原理-2.1.1 顺序传像原理,客观的景物图像是由无数个点的集合体，每一个点都有它的光学特性和几何位置，而且它们的光学特性随时间变化。,景像上的任何一点可用下列函数来表示：如立体彩色电视图像：黑白电视黑白平面图像：,或,2.1 电视传像原理-2.1.1 顺序传像原理,式中，t 表示时间，x,y,z 表示空间坐标，代表光的波长(颜色),表示某点的光学特性，既包括亮度又包括颜色,像素：任何一幅图像都是有许多密集的细小点子(小单元)组成，这些小单元面积相等，分布均匀。这些细小点子是构成一幅图像的基本单元，称为像素。像素越小，一定面积上的像素数目越多，图像就越清晰.像素是传送图像的信息单元，它的集合代表了图像总的信息。将图像分解成像素，然后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。,2.1 电视传像原理-2.1.1 顺序传像原理,图像的顺序传送：(相对于同时传送),开关S1、S2 既要快速转换(电子束扫描转换实现)，同时要严格保持步调一致即收发端要同步工作，收端每个像素的几何位置要与发端一一对应。,图像的顺序传送：利用人眼的视觉惰性，把被传送图像上各个像素的亮度按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去，在接收端的屏幕上，再按同样顺序将各个电信号在相对应位置上转变为光，使我们感到整幅图像同时发光而没有顺序感。,2.1 电视传像原理-2.1.1 顺序传像原理,图像的摄取(光电转换)：电视摄像管图像的重现(电光转换)：电视显像管,2.1电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,电视摄像管：,2.1电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,电子束的产生：电子枪,电子束的偏转：偏转线圈,光电转换：光电靶,分光系统：分色棱镜,2.1 电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,光电靶：内光电效应电子枪：真空玻璃管内的灯丝、阴极、控制栅极、加速极(第一阳极)和聚焦极、网电极偏转线圈：水平偏转线圈；垂直偏转线圈,电视摄像管：光电靶、电子枪,电视摄像管中光电转换应用的是光电效应来实现的.光电效应分两种：外光电效应：光能量激发下发射电子，如金属钾、铯 内光电效应：在光能量的激发下改变其电阻(增加自由电子量)，如半导体材料硫化锑内光电效应的光电转换效率高于外光电效应。,2.1 电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,光电效应:金属中的自由电子在光的照射下，吸收光能而逸出金属表面的现象,光电靶：,光敏半导体材料共性：无光照时具有极高的电阻率；受光照以后电阻率下降，电阻率的变化与光通量成正比；当被摄的光学景物成像于光电靶上时，由于光学图像各部分的亮度不同，靶面上各处的电阻率也不同，图像亮处电阻小，图像暗处电阻大，则靶面上形成了一幅与被摄光学图像明暗分布相对应的电阻大小的分布图像，即电子图像。,2.1 电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,正极性图像信号：指图像信号的大小与景物的亮暗成正比，即景物越亮，信号电平越高；负极性图像信号：指图像信号的大小与景物的亮暗成反比，即景物越亮，信号电平越低;,摄像管光电转换的基本工作原理：,分光系统将景物的彩色光分解成3种基色光，并分别用3个摄像管摄取，每只摄像管将图像信号转换为3个相应的基色电信号,2.1 电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,分色棱镜系统：分光棱镜通常由三块或四块楔状多棱镜粘合而成；棱镜1和2的表面分别镀有多层干涉膜Mg和Mb，使第一分色面和第二分色面形成双向分色镜。利用光波干涉原理可使进入棱镜的绿光在第一个薄膜Mg表面反射出来，而红光和蓝光则透射过去；同理，第二个薄膜Mb表面使蓝光反射出来，红光透射过去。这样，就可将进入棱镜的光分解成红、绿、蓝三基色光。由于两个干涉膜的分光特性不可能完全符合设计要求，因此在分光棱镜的三个出口处各自固定了一个滤色片R,B，G。,电视显像管（电光转换）：电光效应,2.1电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,电子束的产生：电子枪,电子束的偏转：偏转线圈,电光转换：荧光粉,电视显像管：（电光转换）,彩色显像管由电子枪和荧光屏两大部分组成,2.1电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,阴极：是一个金属圆筒，筒内装有加热灯丝，顶端涂有能发射自由电子的氧化物。用于发射电子。栅极：又称调制极，是一个套在阴极外面的金属圆筒，顶端开有小孔。用于控制通过栅极的电子数量，改变电子束的强弱，从而控制显像管亮度的目的。加速极：是一个顶部开有圆孔的金属圆筒，加有几百伏的正电压。用于使电子向荧光屏方向作加速运动。聚焦极：用于改变电子束轰击在荧光屏上光点的大小。高压阳极：进一步加速电子，使电子束告诉轰击荧光屏。,电子枪的构成：灯丝、阴极、栅极（控制极）、高压阳极（第一阳极（加速极）、第二阳极（高压极）和第三阳极（聚焦极）。,2.1电视传像原理-2.1.2 图像的摄取与重现,荧光屏的发光强弱取决于冲击电子的数量和速度，电子束的强弱由代表图像的三基色电信号来控制；,荧光屏上的荧光粉以红、绿、蓝三基色点为一组彩色像素，按一定规律组成。图像的重现：空间混色法,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,电子束的偏转方式：静电偏转 电磁偏转 静电偏转：靠静电场的作用使电子受力而发生偏转，偏转系统是水平、垂直两对偏转板，偏转角小。示波管（示波器）电磁偏转：靠磁场的作用使电子受力而发生偏转，偏转系统是行、场两副互相垂直的偏转线圈，偏转角大。显像管(电视机、电脑)。,静电偏转,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,磁偏转（洛伦兹力方向的确定）：,正电荷,负电荷,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,F=B,显像管：电子束的偏转：电子枪发射出来的电子束，只能在屏幕中心产生一个光点，要使光点与图像摄取一样有规则的移动（扫描），就要在显像管外附加一个磁偏转系统，使电子束受力而偏转。在显像管中磁场是两组通电线圈产生的，改变线圈中的电流方向，就可以改变磁场的方向，从而使电子束作垂直方向和水平方向的偏转。改变磁场方向的线圈称为偏转线圈。行偏转线圈、场偏转线圈,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,场偏转线圈：产生的磁场是？方向的，因此电子束穿过磁场作？方向的运动。呈环形，也分成连个绕组，分别绕在铁氧体磁环上。,行偏转线圈：产生的磁场是？方向的，因此电子束穿过磁场作？方向的运动。呈喇叭形，分成两个绕组，分别位于显像管颈与锥体连接处的上、下方。,在显像管中有两种偏转线圈：,垂直,水平,水平,垂直,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,2.2 电子扫描-2.2.1 电子束的偏转,电子束按一定的规律在靶面上或荧光屏上的运动过程，即图像的分解与复合过程，叫做扫描。图像的分解：图像上的各像素的光学信息转变为顺序传送的电信号的过程 图像的复合：把顺序传送的电信号再重现为光学图像的过程,1,2,3,4,5,N,1,2,3,4,5,N,.,N,1,2,5,N,3,4,图像的分解和传送,1,一幅完整的图像：由无数多个像素组成,一个个像素,图像的分解过程,1,2,3,4,5,N,1,2,3,4,5,N,.,N,1,2,5,N,3,4,图像的合成,1,一幅完整的图像,图像的合成过程,由于人眼的视觉惰性和发光材料的余辉特性,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,逐行扫描：电子束扫描从图像上端开始，从左到右、从上到下以均匀速度依照顺序一行紧跟一行的扫描，称为逐行扫描。电子束移动轨迹的集合就形成了矩形的扫描光栅。,行正程：电子束从左到右的扫描过程称为行正程扫描。行正程扫描所需的时间称为行扫描正程时间。用THt表示。电子束从右到左的扫描过程称为行逆程扫描。行逆程扫描所需的时间称为行扫描逆程时间。用THr表示。行扫描周期 TH=THt+THr,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,帧正程电子束从上到下的扫描过程称为帧正程扫描。帧正程扫描所需的时间称为帧扫描正程时间。用TVt表示。电子束从下到上的扫描过程称为帧逆程扫描。帧逆程扫描所需的时间称为帧扫描逆程时间。用TVr表示。帧扫描周期 TV=TVt+TVr,实现逐行扫描偏转线圈中电流的波形图如下：行扫描电流波（锯齿波）形图：,THt THr,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,实现逐行扫描偏转线圈中电流的波形图如下：帧扫描电流波（锯齿波）形图：,TVt TVr,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,逐行扫描光栅,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,行逆程系数 和帧逆程系数=THr/TH=18%=TVr/TV=8%,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,只有行扫描,只有帧扫描,只有场逆程扫描轨迹,消除逆程后的正常扫描光栅,在广播电视系统中，在行扫描与帧扫描的逆程期间不用来传送图像信号；逆程扫描线消失：在行、帧逆程期间，利用消隐脉冲来截止扫描电子束。,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,电子束扫描过程：,在逐行扫描中，每帧的光栅都应互相重合，这就要求帧扫描周期TV为行扫描周期TH的整数倍。这是实现逐行扫描的条件。如果每帧的扫描行数用Z来表示，则 TV=TH Z 或 Z=TV/TH=fH/fV fH 与 fV 分别为行扫描频率与场扫描频率。在人眼于屏幕保持一定距离的情况下，当行数（500）足够多时，人眼将分辨不出行结构，只是看到一个均匀发光的面。,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,逐行扫描的特点 优点：简单、可靠。缺点：传输图像要很宽的频带（fV=48Hz,Z=500）。,2.2 电子扫描-2.2.2 逐行扫描,2.2 电子扫描-2.2.3 隔行扫描,隔行扫描 是将一帧电视图像分成两场进行扫描（从上至下一次为一场）。第一场扫出光栅的1、3、5、.等奇数行，第二场扫第2、4、6、等偶数行。,1,1,3,3,5,6,4,2,4,6,8,2,8,7,9,5,7,9,奇数场结束点,偶数场开始点,隔行扫描过程：,扫奇数行的场叫奇数场；扫偶数行的场叫偶数场；每帧图像经过两场扫描，所有像素全部扫完。,注意：两场光栅要均匀交错！,2.2 电子扫描-2.2.3 隔行扫描,电子束从上边一行始端扫到最下边一行的终端，又返回最上边一行的始端称场扫描时间 T场。把一帧（幅）图像全部扫描完毕所需时间称为帧扫描时间T帧。在逐行扫描中，T帧=T场。在隔行扫描中 T帧=2T场。f帧=1/2f场.隔行扫描总的扫描行数 Z=Z奇数场+Z偶数场.相对于逐行扫描，隔行扫描使图像信号带宽减少一半，行数保持一致。,实现奇数行隔行扫描的条件：保证各帧扫描光栅重叠，每帧行数必须为整数；（逐行扫描的条件）两场光栅均匀交错（镶嵌）的条件：行数必须是奇数，隔行扫描第一场结束于最后一行的一半，第二场开始于半行（电子束必须返回到屏幕上方的中央）。行频 fH 与场频 fV:,2.2 电子扫描-2.2.3 隔行扫描,我国电视制式：一幅图像的总行数为625 行，采用2:1隔行扫描，每一场的扫描行数位625/2=312.5行。正程扫描行数？逆程扫描行数？像素数？,2.2 电子扫描-2.2.3 隔行扫描,隔行扫描：为了进一步压缩图像信号的带宽，是否可以隔多行扫描呢？答案是不可以。1、行间闪烁效应。2、出现并行现象。3、出现垂直边沿锯齿化现象。,2.2 电子扫描-2.2.3 隔行扫描,电视图像的基本参数图像的宽高比：用W和H分别代表在电视屏幕上显示出来的图像宽度和高度，二者之比则称为图像的宽高比。,2.3电视图像的基本参量-2.3.1 图像的宽高比,电视的宽高比：4:3,高清晰度电视的宽高比：16:9,根据人眼视觉特性，视觉最清楚的范围约为垂直夹角150，水平夹角200的一个矩形面积,电视图像的基本参数矩形屏幕的大小用对角线长度表示：例如：46cm,51cm(相应于18英寸，20英寸)1英寸=2.6cm,2.3电视图像的基本参量-2.3.1 图像的宽高比,电视图像的基本参数场扫描频率的确定：利用人眼的暂留特性，要使电视画面没有闪烁感觉，场频应高于临界闪烁频率46Hz；选择场频还受电视接收机中存在的交流电源干扰。当场频与电源频率不同时，所造成的光栅不但扭曲而且摆动。为了避免这种现象，场频就选用了与电源频率相同，即50Hz（我国）或60Hz(如美国）.帧频？,2.3电视图像的基本参量场扫描频率的确定,25Hz,每帧图像扫描行数,人眼的分辨角 1.5,人眼视角清楚张角：垂直15，对应L 4（水平20）,显示图像扫描行数应为:z=h/d,实际取图像显示行Z575行，加上逆程50行，得每帧扫描行数为Z625行,电视图像的基本参数图像的清晰度与电视系统传送图像细节的能力有关，这种能力称为电视系统的分解力。电视系统的分解力：扫描行数来表征，称为标准分解力。扫描行数越多，分解成的图像像素数就越多，原景物的细节就呈现的越清楚，主观感觉的图像清晰度也就越高。分解力：垂直分解力，水平分解力。,2.3电视图像的基本参量扫描行数的确定,垂直分解力：1、沿图像垂直方向所能分解的像素数(或黑白相间的条纹数)称为电视系统的垂直分解力。以线数或行数表示。,总行数-逆程行数=Z-8%Z=(1-）Z,2.3 电视图像的基本参量扫描行数的确定,2、垂直分解力取决于扫描行数，小于扫描行数；3、垂直分解力的确定：在一帧周期内，扫描逆程包括的行数不能分解图像，令一帧图像的扫描行数为Z,则垂直分解力等于：,实际上，由于扫描行与图像间相对位置关系，并非每一有效行能代表垂直分解力，垂直分解力介于有效行数的1与1/2倍之间。,2.3 电视图像的基本参量扫描行数的确定,通常，垂直分解力 M=k1(1-)Z k1称为克尔(Kell)系数，一般取k1之间。在我国电视标准中，Z=625行，=8%，取k1=0.75,则 M=431行。,2.3 电视图像的基本参量扫描行数的确定,水平分解力：1、沿图像水平方向所能分解的像素数(或黑白相间的条纹数)称为电视系统的水平分解力。以线数或行数表示。2、一般认为电视图像的清晰度在垂直与水平两个方向上应该相等最合理.水平分解力，M=Kk1(1-)Z K 为幅型比（宽高比）,2.3 电视图像的基本参量扫描行数的确定,电视图像的基本参数我国电视标准：场频fV=50Hz,帧频fF=25Hz 扫描行数Z=625行，一场扫描的时间TV=场逆程扫描的时间TVr=场正程扫描的时间TVt=一帧扫描的时间TF=行扫描时间TH=行逆程扫描时间THr=行正程扫描时间THt=行频fH=,电视图像的基本参数我国电视标准：场频fV=50Hz,帧频fF=25Hz 扫描行数Z=625行，一场扫描的时间TV=1/fV=1/50=0.02s=20ms 场逆程扫描的时间TVr=8%*TV=0.08*20=1.6ms 场正程扫描的时间TVr=20-1.6=18.4ms 一帧扫描的时间TF=TF=1/fF=40ms 行扫描时间TH=TF/Z=40ms/625=64s 行逆程扫描时间THr=18%*64=11.52=12 s 行正程扫描时间THt=64-12=52 s 行频fH=1/TH=15625Hz,电视信号的基本组成：消隐信号：1、目的：为了截止扫描逆程期间的电子束。2、每行传送一个消隐信号称行消隐。3、每场传送一个消隐信号称场消隐。4、行、场消隐信号混合在一起而成复合消隐信号。5、复合消隐信号的幅度相当于图像信号的黑电平。,2.4 电视信号的基本组成消隐信号,消隐信号：,2.4 电视信号的基本组成消隐信号,行消隐脉冲以行周期（64 s）重复场消隐脉冲以场周期（20ms）重复复合消隐脉冲却以帧周期（40ms）重复,电视信号的基本组成：同步信号（逆程期间传送的）：1、目的：使接收端和发送端的扫描点几何位置一一对应。2、行同步信号：在发端每扫一行，送一个同步信号去控制接收端的行扫描频率和相位，使其与发端同步。行同步脉冲宽度为4.7s。,2.4 电视信号的基本组成-2.4.2 同步信号,3、场同步信号：在发端每扫一场，送一个同步信号去控制接收端的场扫描频率和相位，使其与发端同步。场同步脉冲宽度为2.5H,即2.564 s=160s。4、同步脉冲的前沿表示上一行（场）结束，下一行（场）开始。为每一行的起始基准时刻。5、在隔行扫描中，奇数场与偶数场的场同步脉冲的前沿与最后一个行同步脉冲前沿的距离不同，相差半行。,2.4 电视信号的基本组成-2.4.2 同步信号,4、复合同步信号（行、场同步信号合在一起的信号）：复合同步信号+复合消隐信号：,2.4 电视信号的基本组成-2.4.2 同步信号,信号的分离：1、行场同步信号的分离：根据它们之间的宽度的不一样，经微分电路把行同步信号取出来去控制行扫描发生器，经积分电路把场同步信号取出来去控制场扫描发生器。2、复合消隐信号与复合同步信号的分离：同步脉冲比消隐脉冲高，通过幅度分离电路，把同步脉冲分离出来。,2.4 电视信号的基本组成-2.4.2 同步信号,黑白全电视信号(全电视信号)：图像信号:用于携带图像的信息 复合同步脉冲:用于使收、发两端按相同的扫描规律进行扫描 复合消隐脉冲:用于消除（或关掉）逆程扫描其间的电子束 前后均衡脉冲 开槽脉冲的电信号,2.4 电视信号的基本组成-2.4.3 黑白全电视信号,黑白全电视信号(全电视信号)：开槽脉冲的电信号 在场同步期间保证行同步的连续性，在场同步脉冲上开了5个槽，齿脉冲宽度为27.3 s,开槽宽度为4.7 s 作用：在场同步脉冲上开槽，保证行同步的连续性。在场同步期间，没有行同步脉冲，在场同步期间行同步中断，使行扫描不能立即恢复工作。,2.4 电视信号的基本组成-2.4.3 黑白全电视信号,黑白全电视信号(全电视信号)：前后均衡脉冲 前、后均衡脉冲均为5个，各占两行半时间，脉冲间隔为H/2,脉冲宽度为2.35s，,2.4 电视信号的基本组成-2.4.3 黑白全电视信号,由于奇数场与偶数场的场同步脉冲前后的行同步脉冲相差半行，在接收端用积分电路分离场同步脉冲时，造成两场的起始时间不一致，严重影响隔行扫描的的准确性，导致扫描光栅并行和分解力降低。,黑白全电视信号：,2.4 电视信号的基本组成-2.4.3 黑白全电视信号,