电视传像原理与CRT显示技术.ppt

电视传像原理与CRT显示技术,仇怀利,电视传像原理,图像的特点与组成,像素单值光特性和几何位置亮度、色度都是（x,y,t）的函数利用人眼视觉特性，采用扫描方法，按时间顺序逐一传送空间分布的每一像素的亮度和色度，这样就把空间坐标(x,y)也转换成时间t的函数了。,图像的顺序传送,同一顺序利用人眼的视觉暂留和发光材料的余辉特性,图像的顺序传送,图像的顺序传送就是在发送端把被传送图像上各像素的亮度、色度按一定顺序，逐一地转变为相应的电信号，并依次经过一个通道，在接收瑞再按相同的顺序，将各像素的电信号在电视机屏幕相应位置上转变为不同亮度、色度的光点。只要这种顺序传送的速度足够快，那么由于人眼的视觉暂留和发光材料的余辉特性，就会感到整幅图像在同时发光。这种按顺序传送图像像素的电视系统，就称为顺序传送制。,电视扫描,逐行扫描隔行扫描,电视扫描,逐行扫描行扫描：行正程THt行逆程THr行周期TH，行扫描频率fH=1/TH行逆程系数=THr/TH，按电视标准规定为18%,帧扫描帧周期TF=帧正程TFt+帧逆程 TFr；帧扫描频率fF/TF；帧逆程系数=TFr/TF，按电视标准规定(=8%),隔行扫描每秒只传送25帧(或30帧)图像，但每帧图像分奇、偶两场来传送,帧vs场隔行扫描成功的关键是帧行数Z是奇数。Z=2n1优点：解决通频带与清晰度之间的矛盾；缺点：易产生“并行”；行间闪烁：每一行的亮度是以帧频重复的，所以当仔细观看比较亮的细线时就会感到有些闪光，即行间闪烁现象。,同步,同步是指使收、发两端扫描同频、同相和波形相似，满足这样条件的扫描称为同步扫描。当收、发端场频不同步时，图像会上下滚动，并出现场消隐黑带在屏幕上移动，频差越大，滚动越快。当收、发端行频不同步时，屏幕上出现粗细不一、方向不一、疏密不一的歪斜，图像如被撕裂，则根本看不清原来图像是什么样子,若频率相同，相位不一致差半行；差半场,收、发端扫描电流波形不同,同步脉冲是控制逆程的起点，所以同步脉冲的前沿表示上一行(场)正程的结束,按我国电视标准，行同步脉冲的频率等于行频为15.625kHz，行周期为64 s。在电视技术中常以64s作为时间单位，并以H表示，即1 H=64s。场同步脉冲频率等于场频为50Hz，场周期为20ms，即312.5H。行同步脉冲宽度为4.7s左右，场同步脉冲宽度为2.53H。,复合同步脉冲的分离微分、积分,场同步期间，行同步消失；可采用场同步开槽的办法；开槽的上升沿是行正程的结束。,在隔行扫描中解决办法如果将场同步脉冲中的开槽脉冲频率提高1倍，并在场同步脉冲前、后各加5一6个两倍行频的前、后均衡脉冲(宽度为2.35 s)，使奇、偶场的场同步脉冲及其前后一段时间的波形完全相同，则时间差的影响可降到不计程度。,消隐,逆程期间电子束截止按我国电视标准，行消隐脉冲的重复频率也是15.625kHz，脉冲宽度为12 s，为了确保行逆程被完全消隐掉，所以行消隐脉冲的前沿比行同步脉冲前沿提前1.31.5 s。场消隐脉冲的重复频率为50Hz，脉冲宽度为25H。但场同步脉冲之前有前均衡脉冲，它虽位于正程中，但这段时间不能用来传送图像，必须消隐掉，所以消隐脉冲的前沿应比第一个前均衡脉冲提前1.31.5 s。,全电视信号,负极性黑白全电视信号：图像信号、复合同步脉冲、复合消隐脉冲的电信号以及（色同步信号）同步脉冲电平为100%，消隐脉冲与黑电平为75%，白色电平为(12.5 2.5)%便于幅度分离电路分离同步信号,负极性黑白全电视信号,电视图像信号,1、图像内容与电信号的关系图像亮度只有正值；系列脉冲，宽度与图像有关随着横向黑白条数的增加，电信号频率以场频的倍数增加;随着竖向黑白条数的增加，电信号频率以行频的倍数增加,电视图像与信号波形,图像电信号所能达到的最高频率625行，消隐50行取水平分辨率与垂直分辨率相等一个画面的像素数每秒切换25个画面相邻每对黑白像素为一个周期算得最高视频为5.5MHz。,2、电视图像信号的特点脉冲性：单值幅度对应像素亮度大小宽度对应明暗尺度大小前后沿的陡度对应明暗变化的程度，同时受像素本身尺度的限制。周期性：图像在在垂直和水平方向都有变化，则通过扫描形成的电信号是受场频调制的行频脉冲序列，,垂直或水平方向亮度突变图像信号及频谱,水平、垂直方向均有变化的图像信号及其频谱,通过分析电视图像的频谱可知，它具有以下特点频谱是以行频及其谐波为中心的一束束离散型谱线群组成;随着行频谐波次数的增高，主谱线幅度逐渐变小，而且主谱线两侧的副波线也很快衰减;各束谱线之间存在空隙。正是这个空隙的存在，为彩色信号在黑白电视频道内传输提供了可能性。,按人眼视觉特点确定电视标准,1.扫描行数的选择 人眼视角在10以内是视力敏感区，属黄斑视觉范围，对图像颜色及细节的分辨率最强。水平方向20以内，垂直方向15以内是视觉清晰区，能正确识别图形，清晰地看到图像，而不需要移动眼球(即注视点)。因此电视画面一般设计成宽高比为4:3，且观察电视时宜将画面水平视角限制在20以内。,2、场频的选择 根据人眼临界闪烁频率FFC，场频应高于46Hz，考虑到图像信号占有频带不致过宽，场频不应任意提高。另外考虑到减少电网干扰，场频最好与电力网频率同步。所以目前各国电视广播场频都选与市电电源相同的频率，即50Hz或60Hz。,我国黑白电视体制主要参数,每帧行数625;行频15.625kHz;扫描方向从左向右;行周期64.us，其中正程52us，逆程12us;行同步脉冲宽度5.lus(彩色电视中为4.7us);行消隐脉冲宽度12us，并比行同步脉冲领先1.31.5us。帧频25Hz;场频50Hz，采用2:1隔行扫描;扫描方向为由上向下;场周期20ms，其中正程18.4ms，逆程1.6ms;场同步脉冲宽度为2.5一3H(1H=64us);场消隐脉冲为25H，并领先第一个前均衡脉冲1.3-1.5us全电视信号带宽为6MHz，图像信号采用调幅方式，声音信号采用调频方式;在广播时各相邻频段载波频率相差8MHz，如电视第一频道为49.75MHz，第二频道(即中央一台)为57.75MHz。,彩色电视信号的传输,兼容性限制：彩色电视广播必须也能被黑白电视机所“理解”，这意味着彩色电视应保留黑白电视的制式标准。例如扫描方式和扫描频率，行、场同步信号，频带宽度、载频和射频特性等;彩色电视信号中必须包含一个能正确重现灰度的亮度信号，而这个亮度信号应该尽可能少地受到附加色度信息的干扰;，在发送端应该尽可能使用黑白电视广播设备进行彩色电视广播;彩色电视信号中的色度信号应该能和亮度信号在0一6MHz同一通道内同时传送，而且这种信号容易分开，又不互相串扰。彩色信号中的色度信号经过编码后，信号中的冗余信息最少。,显示三基色 在用彩色显像管作为显示器时，彩色重现采用红、绿、蓝三色荧光粉。每种荧光粉有一个光谱分布，可以计算出每种荧光粉在色度坐标上的位置(x，Y)。这三种荧光粉坐标在色度图上构成一个三角形。三种荧光粉的不同组合所能形成的色彩均限在这个三角形中。不同的彩色电视体制所选用的显像三基色是不同的。,彩色电视色度重现范围两种制式显像三基色三角形，如图。由图可知，这两个三角形所组成的色域都比彩色印刷、染料或胶卷的色域大，所以显像管彩色电视能重现自然界绝大多数颜色。从理论上讲，三基色越靠近光谱轨迹，越能重现出更多饱和度高的色彩。但荧光粉的发光效率随着材料色饱和度的提高而降低，即亮度会降低。故只能在色饱和度和亮度之间作折衷选择。,NTSC制式规定1Re+1Ge+1Be=1光瓦的白光（1光瓦683lm）Y=0.30 R+0.59 G+0.11 BY代表彩色的亮度。PAL制式规定采用1Re2+1Ge2+1Be2=1光瓦的D65白光,以D65为标准白光Y=0.22R+0.71 G+0.07 B,兼容制彩色电视系统传送的信号三个参数：Y=0.30 R+0.59 G+0.11 BR-Y=0.70R一0.59 G一0.11BB-Y=-0.30R一0.59 G+0.89BG-Y=-0.30R+0.41G-0.11 B选用R-Y,B-Y两个色差信号进行传送其主要理由 在Y方程中，G信号的系数最大，使G-Y信号比R-Y,B-Y信号都小得多，信号抗干扰性差;,亮度信号色差信号,选用R-Y,B-Y两个色差信号进行传送其主要理由 在接收端用R一Y，B一Y可方便地恢复出G一Y，即:G-Y=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y)方程右边的系数都小于1，利用电阻分压器简单地就能达到。如采用G-Y作为被传送的两个色差信号之一，则在接收端恢复第三个色差信号时，它们的式子是:R-Y=2.0(G-Y)-0.19(B-Y)B-Y=-2.7(R-Y)-5.4(G-Y)可见上面两个式子中右边皆出现大于1的系数，需采用放大器，增大了技术难度。,采用色差传送的优点 传送黑白图像时，两个色差信号都为零，所以色差信号不会干扰亮度信号。因为传送黑白图像时，必有R=G=B=01 代入前式可知B-Y=R-Y=0 有利于节省色度信号的发射能量。因为一般情况下彩色图像大部分面积上的像素接近于白色或灰色，即这些地方的色差信号为零，只有小部分面积上的彩色像素色差信号不为零。因此用色差信号传输色度信号较之用ER,EG,EB传送所需的发射能量小得多。,在接收机中利用解码矩阵很容易将色差信号还原成三个基色信号:R=(R-Y)+YB=(B-Y)+YG=(G-Y)+Y=Y-0.51(R-Y)-0.19(B-Y),大面积着色原理 由于人眼对彩色的分辨力比对黑白细节的分辨力低很多，这样可以只传送景物中大面积的彩色部分，而彩色细节则用黑白图像代替，这一处理彩色的方式称为大面积着色原理。我国电视标准规定，亮度信号带宽为6MHz，色度信号带宽为1.3MHz。,大面积着色原理,如上图，以上是视频采集卡得到的图像，第一幅是Y分量描述黑白图像，第二幅是U(V)分量描述，第三幅是V(U)分量描述，第四幅是YUV三幅合成后得到的正常图像。黑白图像与如此模糊的UV分量图合成后竟然如此真实的得到彩色图像，这就是事实。由此得出：Y分量是黑白轮廓图像，UV分量很模糊，只是大约描述了整块的色彩，这就是“大面积着色原理”。,恢复三基色信号时的混和高频原理R=(R-Y)0-1.3+Y0-6=R0-1.3+Y1.3-6B=(B-Y)0-1.3+Y0-6=B0-1.3+Y1.3-6G=(G-Y)0-1.3+Y0-6=G0-1.3+Y1.3-6,频谱交错原理将色度信号的频谱插在亮度信号频谱的空隙中间进行传送，以实现在同一个通道内同时传送亮度信号和色度信号的目的。这种处理亮度信号和色度信号的方法被称为频谱交错原理或频谱间置原理。,由于色差信号的频谱也是以行频fH为间隔的谱线群结构，如果选择色差信号的载波(称为副载波)频率fsc为(n-1/2)fH;其中n=1,2,3n，即选副载波的频率为半行频的奇数倍，将可以实现正确的频谱搬移,彩色电视图像信号的频谱,副载频的选择应遵循以下原则为实现频谱交错，副载频必须是半行频的奇数倍，即fSC=(2n-1)fH/2使色度信号与亮度信号间的串扰为最小。亮度信号能量主要集中在视频通带的低端；故色度信号应集中在通带的高端，但色度信号的上边频不应超过通频带上限。若色度信号带宽为1.5MHz，则fsc6-1.5=4.5MHz副载频与半行频间有简单的倍数关系，以便电路上容易实现。取n284，fsc=567fH/2=799fH/24.43MHz,彩色电视的制式,NTSC制式PAL制式SECAM制式,NTSC制式这种制式的特点是将两个色差信号分别对频率相同而相位相差90的两个副载波进行正交平衡调幅，然后与亮度信号相加，一起传送。该制式主要优点是兼容性好，图像质量好，电路简单，信号处理容易;主要缺点是对相位失真十分敏感，必须控制在10以内，容易产生明显的色调失真。为了减少色调失真，对发射端与中间传送设备的性能指标要求高。,正交平衡调幅制式色度信号的形成过程,彩色电视机的原理框图,NTSC制式色度信号的彩色矢量图,U、V对应两个色差信号F是彩色矢量Fm是色度信号的振幅，决定彩色的饱和度。是相角，决定色调,PAL制式 PAL制式的特点是克服了NTSC制式的相位敏感性，在原来正交平衡和同步检波等基本措施的基础上，将其中一个已调幅的红色差信号进行逐行倒相。这就使任意两个相邻扫描行的红色差信号相位总是相差180。这样可以利用相邻扫描行色彩的互补性来消除相位失真引起的色调失真。主要优点是对传输过程中相位失真不敏感;主要缺点是彩色清晰度略低于NTSC制，信号处理较繁，接收机电路较复杂。是世界上用得最多的一种制式。,有相位失真时FN和FN+1的合成情况,SECAM制式SECAM制式也叫顺序传送彩色与存储制式，也是为了克服NTSC制式的色调失真而设计的。它与前两种制式不同点是两个色差信号不是同时传送，而是轮流、交替地传送。另外，两个色差信号不是对副载波进行调幅，而是对两个频率不同的副载波进行调频，然后将两个调频波轮换插入亮度信号频谱的高端。这种制式的优点是传输失真小，图像录放性能好;缺点是彩色图像垂直清晰度下降一半，亮度、色度信号不易彻底分离。,在接收端，为了恢复三个基色信号，必须利用延迟线(储存一行时间)来获得未传送的色差分量。即用延迟一行时间的延迟线将上一行传送的色差分量(例如FSR)储存到这一行来使用(这一行只传送FSB分量)，以弥补该行未发送的那个色差分量FSR。这样，每一个被传送的色差信号分量都被复用一次，经解调后就可获得两个色差信号，再经解码矩阵便能得到R,G,B三个基色信号。只要彩色图像具有较强的垂直相关性，这种处理方式将获得令人满意的图像质量。,CRT显示技术,CRT的历史及特征CRT的结构及工作原理荫罩式彩色显像管各种平板型CRTCRT显示器的生理学措施CRT发展趋势,CRT的历史及特征,CRT的开发经历及发展史CRT的优缺点,CRT的历史及特征,CRT的开发经历及发展史1676年，法国皮卡，发现阴极射线1897年，德国，发明布劳恩管1926年，德国，最早用于图像接收的实验装置日本于1953年开始黑白播送，1960年开始彩色播送。中国于1958年开始黑白播送，1973年开始彩电播送。1970年，开始用于计算机文字显示；,CRT的历史及特征,CRT的优缺点优点：性价比高，驱动电极数少无级灰度调节，应用范围广缺点：笨重、尺寸、重量难以降低，不能折叠，使用不便驱动电压高寻址方式不是矩阵寻址，因而图像会出现畸变。,CRT的结构及工作原理,单色显示用CRTMDT彩色显示用CRTCDT,CRT的结构及工作原理,单色显示用CRTMDT,金属Al膜除具有作为阳极的作用之外，还可防止管内发射的阴离子直接碰撞荧光面造成其性能劣化,CRT的结构及工作原理,彩色显示用CRTCDT,PCM，purity convergence magnet，色纯度汇聚磁铁，由2极、4极、6极的可动磁极构成，4极和6极磁极用来调整画面中心3个电子束的汇聚状态，2极磁极用来调整画面中心电子束的光斑。,荫罩与荧光面间的关系,荧光面,荧光面设计的主要考虑：亮度、对比度、荧光体发光色、残光特性提高荧光体的发光效率对提高亮度最为有效。理论上电子轰击荧光体所能达到的最大效率0.22荧光体的发光色决定于荧光体的种类：荧光体母体、活性剂种类及其浓度考虑视感度、再现白画面所需要的电流比等。,玻璃外壳,玻璃外壳对玻壳所要求的主要特性：耐大气压力,玻璃外壳应力分布,防暴措施为在屏面侧面捆上一圈防爆钢带，钢带拉紧后产生几百公斤的压力，以抵消该处的张应力。,玻璃外壳防X射线辐射对于29英寸显像管，阳极电压30kV，电子轰击荧光屏的速度约为三分之一光速。高能电子突然受阻会发出0.050.06nm的x射线并且阳压上升，x射线变短，透过屏面的x射线强度以正比于阳压的六次方上升。所以必须有防护措施以免伤害观众。在玻璃中掺入PbO吸收x射线的效果最好，为此在管颈和锥体部的玻璃成分中掺入2028的PbO以防x射线泄漏。但是因为PbO在高能电子轰击下会分解出Pb，而使玻璃变黑，所以在屏面中不能掺 PbO，而是掺BaO和SrO来吸收不同波段的x射线。,玻璃外壳,玻璃外壳透过率合适玻璃表面的理论反射率为4，透过显像管屏面两个表面后的最大透过率为92。为提高画面的对比度，一般采用低透过率屏面，即取50的透过率玻璃，称为烟玻璃。对比度提高的原因是外光射到屏面进入后又反射回来，要经过玻屏面两次，受两次衰减。而荧光粉发出的光只经过一次屏曲的衰减。这样画面亮度虽然有所降低，但外光的作用更弱了，对比度反而提高了。曲率半径 全方屏方平屏新平屏超平屏纯平面屏,电子枪偏转磁轭偏转磁轭的功能是控制电子束扫描。偏转磁轭的基本特性包括：偏转功率图形失真聚集特性发热特性荫罩,荫罩式彩色显像管,三枪三束单枪三束精密一列式自会聚,荫罩式彩色显像管,三枪三束,三枪三束管中每一个电子枪相当于黑白显像管中的电子枪，都有自己的发射系统、预聚焦 系统与主透镜系统。,三枪三束易产生失聚的原因：尽管三个电子枪对管轴是对称的，且向管轴有一定倾斜，但由于制造上的公差，达到静会聚都很困难;荫罩曲率半径大于偏转中心到荫罩中心的距离；三个电子枪相对轴对称，相对偏转磁场是不对称的，扫出三个光栅产生不同的变形；,由于荫罩曲率半径较大引起的失聚,品字形三枪的三个电子束在共同的偏转磁场下产生的扫描光栅变形,单枪三束减少会聚调节优点：图像亮度高，偏转功率低结构简单，成本低。缺点：条形栅刚性差、易颤动、影响图像清晰度、柱形屏面耐压差、动会聚仍不理想等,自会聚彩色显像管自会聚彩色显像管是深入研究偏转像差理论的结果，是电子光学理论指导实际的重要例证。自会聚彩色显像管可以完全取消动态会聚电路，只靠偏转磁场本身的特殊分布就可以实现会聚，因而调节非常简单，与黑白显像管同样方便。同时由于取消了动会聚线路，节省了元件，降低了成本。,精密一列式自会聚自会聚管的主要部件是精密一字形一体化电子枪、条槽形荫罩、垂直粉条球面屏和精密静态环形偏转线圈。,各种平板型CRT,薄型CRT冷阴极型CRTSpindt型冷阴极楔型冷阴极,薄型CRT电子束扫描采用矩阵驱动的MDS方式的薄型CRT矩阵寻址附加静电偏转扫描的驱动方式,采用CFP（MDS）方式薄型CRT的电视接收机（松下电器）松下电器宣布，公司将于2010年放弃生产CRT电视机，将把业务重点逐步转移到等离子电视机（PDP）和液晶薄形电视机领域，并将在今后专门生产薄型电视机。,冷阴极型CRT,Spindt型冷阴极一个一个元件的大小为数微米显示器的 每个像素由数百至数千个冷阴极元件构成。因此冷阴极元件群中存在个别缺陷无关 紧要。冷阴极的制作方法要用到倾斜蒸镀法(斜蒸法)、蚀刻法等、其中尖锐 的阴极端部要用蚀刻法形成，需要高超的技术。,楔型冷阴极在基板的绝缘层之上，形成阴极材料及与其对向布置的栅极，在平面上看，阴极与栅极相隔微小间隙，构成对向楔形结构。,CRT显示器的生理学措施,防眩处理平面化防止电磁场泄漏,防眩处理照明光源反射入显示面造成对比度下降；措施：真空蒸镀沉积4层左右的AR多层膜；价格高化学蚀刻法用HF处理CRT管面有机硅涂层法涂敷含有Si烃氧基的涂敷液,价格便宜，图像分辨率下降,平面化减轻不同观察角度观察时的图像畸变外光射入的范围也窄，从而可提高图像清晰度增大曲率半径,防止电磁场的泄漏管面带电，接触放电、吸附灰尘AR膜最下层沉积ITO（铟锡氧化物）膜偏转磁轭造成的漏磁场附加补偿磁场线圈垂直偏转线圈采用漏磁较少的鞍形线圈,显示器用CRT按用途分类,CRT发展趋势,采用平面屏技术缩短CRT厚度设计更先进的电子枪降低CRT功耗,平面屏技术屏幕尺寸和曲率半径作为CRT技术升级的标志要求采用相应的屏幕荫罩和偏转线圈缩短CRT的厚度致命弱点，增加制造成本和运输成本直接方法是增加偏转角，引入一些新问题偏转功率、管径直径问题、电子透镜像差问题,设计更先进的电子枪简化结构、降低成本满足数字电视发展的要求解决方案：增加电子束数量三束高亮度电子束，显示图像；三束高分辨率电子束，显示文字；降低CRT的功耗偏转线圈消耗约40的电能节能，永恒的主题,数字电视的传输，要求CRT同时显示清晰的图像和高分辨率的文字，因此超高分辨率是今后发展方向。,分辨率标准,VGA 640*480 SVGA 800*600 XGA 1024*768 SXGA 1280*1024 1400*1050 UXGA 1600*1200,