第二章第二节 电视扫描原理.ppt.ppt

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1、2.2电视扫描原理,思考：电视技术如何实现光信息（时空函数）转换为电信息（时间函数）,扫描按电子束的运动规则分：直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等方式电视系统使用匀速单向直线扫描方式2.2.1逐行扫描一行紧跟一行的扫描方式称为逐行扫描电子束在在靶面上或者屏幕上的扫描轨迹称为扫描光栅,逐行扫描电流行偏转线圈、场偏转线圈共同控制电子束的方向,演示,演示,2.2.2隔行扫描,一.隔行扫描的提出（为什么要隔行扫描？）逐行扫描的电视信号的频带太宽，不利于电视信号的传送 以我国PAL制电视为例，若采用逐行扫描，则：场频fv为50Hz，扫描行数Z为625行，带宽fmax约为12MHz降低带宽fmax的方法（扫描方

2、式仍采用逐行扫描）降低场频fv会引起闪烁 降低扫描行数Z会降低清晰度,二.隔行扫描光栅的形成奇数场：由奇数行组成的场偶数场：由偶数行组成的场帧：由奇数场和偶数场组成一帧,隔行扫描光栅及扫描电流波形图,隔行扫描重现图像示意图,演示,偶数行隔行扫描,隔行扫描所应满足的条件：1.下一帧扫描起始点应上一帧起始点相同，以便保证各帧扫描光栅重叠。一帧的总行数Z必须为整数2.相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度一帧的总行数必须为奇数，或任何一场必须包含一个半行,三.隔行扫描的特点优点 隔行扫描电视信号的频带是逐行扫描电视信号频带的一半，即把帧频降低了一半缺点 行间闪烁效应 并行显像 真实并行 视在

3、并行“锯齿化”现象 隔行扫描的垂直分解力低于逐行扫描的垂直分解力,0.6-0.7,演示,演示,2.2.3扫描同步,一.扫描的同步 扫描同步是指收端与发端的扫描点应有一一对应的几何位置，收、发端对应像素应在同一时刻被扫描扫描同步的条件1.扫描的频率相同2.扫描的起始相位相同3.收发两端扫描正程都具有良好的直线性与相同的幅型比 此时收、发端扫描点的几何位置具有严格一一对应的关系，或者说达到了无失真的同步扫描,图2.10 收发端场频不等引起图像畸变(a)正常发送图像；(b)场频fV收fV发；(c)场频fV收fV发,演示,收发端扫描电流起始相位不同引起图像分裂(a)发端图像；(b)收发行扫描相差半行时

4、间引起图像左右分裂；(c)收发场扫描相差半场时间引起图像上下分裂,同步的实现,电视系统中为了保证同步，在发送端图象信号中加入行、场同步脉冲与图象信号一起发送出去。每扫完一行图象，加入一个行同步脉冲；每扫完一场图象时加入一个场同步脉冲。在接收端，使行扫描锯齿波电流只有在行同步脉冲到达后才开始行逆程，而场扫描锯齿波电流也只有在场同步脉冲到达时才开始逆程扫描。这样就能保证收、发端扫描电流同频、同相，满足同步要求。,二、消隐脉冲与复合同步脉冲 消隐是指扫描逆程光栅不显示。所加入的行场消隐脉冲使扫描逆程期间电子束被截止。这时的图象信号电平称消隐电平。原理上消隐脉冲宽度应等于扫描逆程时间，但为了确保在接收

5、端消除逆程光栅的痕迹，实际上让消隐脉冲宽度加大一些。由摄象机输出的图象信号，与同步机输出的行场同步脉冲和行场消隐一起形成视频信号。然后经加工、处理传送出去。,同步脉冲是在图象信号逆程期间传送的，其宽度比逆程窄。为了便于用简单的幅度分离法分离出同步脉冲。一般是将它们叠加在消隐脉冲之上。,三、开槽同步脉冲与均衡脉冲 P60图2-15示出同步脉冲经微分后分别形成正负尖脉冲。由于对行扫描电路的同步只需与脉冲前沿相对应的正尖脉冲，所以用限幅电路削去负尖脉冲。由于场同步期间没有行同步信号，将影响整个扫描过程的严格同步。于是提出了在场同步脉冲内形成一些缺口（窄槽）用来代替行同步信号的办法。这样，能保证严格的

6、行同步。,采用奇数行隔行扫描，每场包含一个半行，每场的时间均为TV，因此如果把奇数场和偶数场的同步脉冲分两排画，且使其场同步脉冲对齐，则两场的行同步脉冲相互错开。由于相邻两场的两个场同步脉冲内的开槽及场同步脉冲前后的行同步脉冲都相差半行，从而使两场的同步脉冲积分起始电平不同，积分后波形不能完全重合，两条积分曲线上的小台阶相差半行。经同一电平限幅后，两场同步脉冲的起始点之间就产生了时间差异。它将严重影响隔行扫描的准确性导致并行现象和垂直分解力的降低，甚至完全并行，清晰度降低了一半。,为了消除误差，可以在场同步脉冲期间及其前后若干行内，将行同步脉冲的频率提高一倍，这样使这段时间内偶数场和奇数场的同

7、步脉冲波形完全相同，故两场场同步脉冲的积分起始电平相同，经积分后两场输出信号的波形一致，保证了两场的时间间隔相同。在场同步脉冲前后的窄脉冲分别称为前均衡脉冲和后均衡脉冲。按我国电视标准，前后均衡脉冲均为5个，各占两行半时间。行同步脉冲的宽度为4.7s，均衡脉冲的宽度为2.35 s。场同步脉冲也占两行半时间,因开了五个槽而形成五个齿脉冲,场同步中齿脉冲宽度为27.3 s，开槽脉冲宽度为4.7 s。因此，黑白全电视信号包括：图象信号、复合消隐脉冲、和复合同步脉冲（由行同步脉冲、开槽的场同步脉冲、和前后均衡脉冲）,2.3 电视图象的基本参量,电视图象的基本特征有：图象尺寸与几何形状；图象对比度与亮度

8、层次；图象的色度；图象清晰度；图象的连续性。2.3.1、图象的几何特征 根据人眼视觉特性，视觉最清楚的范围：垂直夹角15，水平夹角20。从而决定电视机屏幕为矩形，其幅形比为4：3。矩形屏幕大小常用对角线尺寸衡量（英寸）。如21英寸（54cm）25英寸（65cm）29英寸（74cm）等。,扫描的线性特性对图像几何特性的影响 常用棋盘格信号测试行、场扫描电流的线性性。（P63图2-18）一般用扫描非线性系数来度量非线性畸变程度。,几何畸变由于偏转磁场的不均匀性、电子束扫描的偏转半径与荧光屏曲率半径的不一致、以及光学系统成像误差等因素所引起的一些图形畸变。用几何畸变系数Dg表示表示光栅几何畸变的程度

9、。Dg 3%时，畸变尚不显著。如：枕形失真，桶形失真，菱形失真等,2.3.2、图象的连续性与场频的确定场频的选择，需要考虑的因素：画面不闪烁：场频大于等于临界闪烁频率画面要连续：场频(帧频)大于等于融合频率不易受干扰：场频等于市电频率的整数倍（滚道）频带不应过宽：在满足上述条件的情况下，尽量降低场频其它因素：NTSC60Hz PAL50Hz,2.3.3、扫描行数及有关参数的确定 扫描行数是一个重要的电视指标，电视系统的行频、带宽、清晰度都与它有关。1、清晰度与分解力 图象清晰度主观感觉到的图象细节呈现的清晰程度。电视系统的分解力电视系统传送图象细节的能力。一般用扫描行数来表征电视系统的分解力，

10、称标称分解力,垂直分解力 垂直分解力取决于系统沿图象垂直方向所能分解的像素数（或黑白相间的条纹数）。它受扫描行数Z的限制，与有效扫描行数Z（1-）、扫描电子束截面直径有关。即垂直分解力M可表示如下：M=Ke（1-）Z Ke称凯尔系数，我国取0.76 考虑隔行因子Ki的影响，表示为 M=Ke Ki（1-）Z Ki取值为0.60.7,演示,垂直分解力的计算Ke:不同电视标准中Ke的取值不同，例如：美国525行扫描制中，Ke取0.69，欧洲625行扫描制中Ke取0.67，原苏联与东欧国家Ke取0.82，我国Ke=0.76Ki:隔行扫描时取0.60.7，逐行扫描时取1:8%Z：我国Z625行我国电视扫

11、描的垂直分解力M为：隔行：M=KeKi(1-)Z=0.760.7(1-8%)625=305.9306行逐行：M=Ke(1-)Z=0.76(1-8%)625=437行,水平分解力 电视系统的水平分解力沿图象水平方向电视系统所能分解的像素数（或黑白相间的条纹数）。水平分解力受通道的通频带宽度的限制。孔阑效应分解力受到电子束孔径（直径）大小限制所造成的。它使图象的边缘模糊，细节不清晰。其实质是图象信号中高频分量幅度下降，但高频分量的相位并不改变。这有利于设计校正电路。实验证明：水平分解力与垂直分解力相当时图象质量最佳。考虑幅型比为K时，水平方向的分解力N应表示为：N=KM=Kke（1-）Z,2、图象

12、信号的最高频率电视通道的频带宽度 任一景物（图象）都有一定的背景亮度，反映在信号上就是信号的直流分量，故图象信号的下限频率为0。只要求出图象信号的最高频率就可得到电视通道的频带宽度。图象信号最高频率出现在传送一幅全是细节（像素）的图象的情况下。由前面所学可知，沿水平方向扫过一个像素所需时间为td（推导）按我国现行电视标准，K=4/3，fV=50Hz，Z=625，取=18%，=8%，Ke（1-）=0.7,得信号带宽为f0fmax5.6MHz。规定为6MHz。,3、扫描行数Z的确定 根据人眼最小分辨角=3438h/DM，（h为图象高度，D为观看距离，M为垂直分解力。注：h/M=d）其中=1.5，D

13、/h=4时，可得，Mmax=3438h/D=573 代入M=Ke（1-）Z，得Zmax=819 由于图象的清晰度和图象信号的带宽与扫描行数相关且互相矛盾。兼顾经济指标和清晰度，我国采用Z=625，行频因而为fH=fFZ=15625Hz。其对应的观看距离D和屏幕高度h之比为：D/h=6 HDTV的扫描行数：Z=1221行。,2.3.4、图象亮度与色度的非线性失真1、亮度的非线性失真 电视图象经光-电，电-光转换与系统传输后，显象管屏幕显示的亮度Ld与被摄取景物亮度L0之间的关系为 Ld=k L0，然而，实际的电视图象在传输过程中往往是非线性的，即 Ld=k L0S，S1；故系统的输出光与输入光之

14、间存在着非线性关系，从而使重现光像产生畸变。这种畸变称为畸变或非线性失真。它会产生亮度与色度失真,需校正 1时,产生白扩张；1时，产生亮度均匀压缩,第四节 视频图象信号,视频图象信号是指经扫描、光-电转换过程由光像转变成的电信号，或再经校正和线性组合等处理过程而形成的视频信号。本节讨论黑白图象信号的特性及彩色图象信号组成原理和特点。一、黑白图象信号1、黑白图象信号的波形 电视图象信号在摄象时通过电子束扫描，图象上不同明暗程度的像素分布就变成了按时间顺序排列的强弱不同的电信号（电压或电流）。它具有脉冲特性和单方向性。正极性图象信号图象愈亮，信号电平愈高。负极性图象信号信号电平随图象亮度的增加而减

15、低。P74，图2-23。,黑,黑灰,灰,白灰,白,（a）,（b）,（c）,（d）,（a）被传送的图象（b）行扫描电流波形（c）摄像管输出信号（d）视频信号,iH,uH,uH,t,t,t,扫描行的负极性信号波形,2、黑白图象信号频谱 由于采用周期性扫描方法，使电视图象信号具有周期性。若被扫描的图象是亮度不同的竖条图案，图象内容在垂直方向上没有变化，则形成的图象信号将是以行频重复的周期性信号。该信号可以用复数形式的傅立叶级数表示：e（t）=nejn WHt 显然，振幅频谱是以行频为间隔的离散的线状频谱。若内容在水平和垂直方向上都有变化,则图象信号具有二维傅立叶级数形式.即：e（t）=nmej（n

16、WH+m wV）t 此时振幅频谱将包含以行频为间隔的频谱线（主谱线）和分布于它们两侧的以场频为间隔的频谱线（副频谱线），即各频谱成分的频率为整数倍行频加、减整数倍场频。如图示：（P72图2-25）,总之,从电视图象信号的频谱分析得,其能量主要分布在行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内,余下较大的空隙可利用来传送彩色信息.,nfH,n+1fH,n+2fH,n+3fH,n+4fH,f,nfH,+25,+50,-25,-50,黑白电视图象信号频谱图,二、亮度信号、色差信号及其组成原理 彩色图象信号就是三个视频基色信号。但丛占用频带来看，这种传送方式不经济，不合理。故彩色广播电视并不直接传送三个基色

17、信号，而是由三基色信号（R、G、B）组合成的亮度信号和色差信号。本节主要讨论恒定亮度原理、高频混合原理及亮度信号和色差信号。1、恒定亮度原理与高频混合原理 从兼容性与逆兼容性考虑，彩色电视系统传送一个反映图象亮度的亮度信号，再选用两个信号代表色度信息。,恒定亮度原理根据人眼对亮度细节分辨力高、对色度细节分辨力低的视觉特性，即对亮度噪波敏感而对色度噪波不敏感的特点，当用一个亮度信号传送亮度信息时，使它不受传送色度信息的其他信号的影响，即后者的变化或混进的噪波将不影响亮度信号，也不反映到图象的亮度上。这样，重现图象的亮度就只由传送亮度信息的亮度信号决定。大面积着色原理从人眼对亮度细节和色度细节的分

18、辨力不同出发，彩色电视系统在传送彩色景物时，只传送一个粗线条（大面积）的彩色图象，并配以亮度细节。混合高频原理传送代表亮度信息的信号占有全部视频带宽，而传送代表色度信息的信号用较窄的频带。这样，在接收端恢复的三个基色信号也就只包含较低的频率分量，其高频部分都用同一亮度信号的高频部分来补充。这既可节省频带又可减轻干扰。,2、亮度信号和色差信号 为了满足如下要求：为获得兼容性，必须传送一个与黑白电视相同的亮度信号，并且频带相同。需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，根据高频混合原理，色度信号可采用窄带传输。在传输黑白图象时，R=G=B，根据上一条件，这时代表色度的信号应

19、等于0。代表色度的两个信号是互相独立的 三个基色信号与三个传输信号之间的转换关系要简单。根据上述条件，故现行彩色电视系统选用的一组传输信号是：一个亮度信号，两个色差信号。,色差信号是由基色信号与亮度信号之差组成。它们之间关系为：Y=0.30R+0.59G+0.11B(R-Y)=0.70R-0.59G-0.11B(B-Y)=-0.30R-0.59G+0.89B(G-Y)=-0.30R+0.41G-0.11B 三个色差信号中只有两个独立,由于（G-Y）信号数值较小，不传输。通常选Y、（R-Y）、（B-Y）作为传输信号。信号变换通过矩阵电路来实现。根据实验确定，色差信号带宽的下限值为1MHz。下面用

20、信号表示说明恒定亮度和高频混合原理的实现,三、标准彩条信号 标准彩条信号是由彩色信号发生器产生的一种测试信号，常用来对彩色电视系统的传输特性进行测试和调整。标准彩条信号是用电的方法形成的一种电信号，可在接收机监视器屏幕上显示八条等宽的条纹。彩色自左至右为：白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑。标准彩条信号可以有不同的规范。分别示出一种规范的正极性彩条三基色信号波形图。如果把它们与白条对应的电平定为1.0;与黑条对应的电平定为0,则这种规范的三基色信号电平非1即0,由其显示的彩色均为饱和色即称为100%饱和度、100%幅度（最大幅度）彩条信号。标准彩条信号的四个数码命名法：如100-0-75-0，第一

21、二数字分别表示组成无色条（黑白）的RGB的最大值与最小值；第三四数字分别表示组成各彩条的R、G、B最大值和最小值。,第五节 视频图像信号的数字化与分量编码,数字电视之所以是电视技术发展的主要方向，也就是因为它和传统的模拟电视比较有许多突出的优点。1.数字电视的抗干扰能力强。数字电视信号是二进制（或多进制）的编码信号，在传输过程中的干扰和失真不容易影响码的正确判决和恢复。即使经过长距离传输或反复记录，仍可以几乎无失真地再生复原。2数字电视信号能够进行存储，包括成帧图像的存储，从而可能进行包括时间轴和空间的二维、三维处理，得以实现采用模拟方法难以得到的各种信号处理功能。如数字视频特技等。,3数字电

22、视稳定可靠，易于调整，便于生产。数字电视中的存储电路和信号处理电路易于大规模和超大规模集成。4数字电视信号容易和其它信息链联,便于加入公用数据通信网，也便于与计算机或其它数字设备接口。,模拟电视信号 转换为数字电视信号的过程，称为PCM调制（脉冲编码调制）。由数字 电视信号再转换为模拟电视信号则称PCM解调或解码过程。这两个过程在电路实现时，通过模拟/数字转换器（A/D）和数字/模拟转换器（D/A）实现的。,A/D转换器是把模拟信号转换成数字信号，它包括三个过程：取样、量化和编码。经 取样、量化、编码所得到的数字信号，即为PCM信号,分量编码：分量编码就是对Y，R-Y，B-Y或三个基色分量R，

23、G，B分别编码，用三个物理信道进行传输，或者按时分复用方式，用一个物理信道传输。,（1）取样频率fs的选定原则和标准选定原则：满足取样定理，fs应大于最高频率（Y：5.86MHz，色差：2MHz）的2倍，一般取2.2倍。为了得到正交的点阵结构，取样频率应为行频fH的整数倍。为了便于不同电视制式转换，fs是50Hz/625行、60Hz/525行的两类行频的公倍数。亮度信号的取样频率与色差信号的取样频率之间有整数倍的关系，以使两者的取样点能重合或有固定的位置关系。,ITU-R601建议，对模拟分量视频信号取样时，Y/R-Y/B-Y的取样频率为13.5/6.75/6.75MHz，分别是基准频率3.375MHz的4倍、2倍、2倍，故简称4：2：2标准,（2）编码位数编码位数n是由所需的量化层数决定的。一般采取8bit，255层。量化信噪比对于经过校正的图像信号，一般都采用均匀量化，即用线性编码。设单极性图像信号的变化范围为0到1，分为2n个量化层，每个量化层高为2-n。由于均匀分布 量化信噪比：即量化位数每增加一位，信噪比提高6dB。,