第2章 電視傳像基本原理課件

2.1.1圖像順序傳送原理1.圖像的表示法

根據三基色原理彩色圖像由紅、綠、藍三個基色圖像疊加而成。對于彩色電視，每一個平面活動基色圖像都可以表示成空間坐標x、y和時間t

的三維連續(xù)函數：

fR(x,y,t); fG(x,y,t); fB(x,y,t)

對于黑白電視，平面活動圖像只是亮度圖像，表示為

fL(x,y,t)

§2.1電視系統(tǒng)組成原理

電視系統(tǒng)：攝像→傳輸→顯像第2章電視傳像基本原理第2章電視傳像基本原理

根據人眼對細節(jié)分辨力有限的視覺特性，可以把一幅平面圖像通過空間采樣離散化成許多小單元，這些細小單元具有單一的亮度和色度，稱為像素（pixel）。像素越小，單位面積上的像素數目越多，圖像就越清晰。根據人眼的視覺惰性可以通過時間采樣把連續(xù)的景物分解成一幅幅時間不連續(xù)的畫面，只要畫面的顯示頻率高于臨界閃爍頻率，就可以獲得連續(xù)活動圖像的感覺。第2章電視傳像基本原理

通過空間采樣和時間采樣，每一個平面活動基色圖像都可以表示成空間坐標m、n和時間k

的三維離散函數:

fR(m,n,k); fG(m,n,k); fB(m,n,k)對于黑白電視，平面活動亮度圖像可表示為：fL(m,n,k)

通過電視圖像離散化壓縮了需要傳送的信息量，但是如何傳送三維活動電視圖像？2.圖像的順序傳送

若把不同位置上的像素同時轉變成相應的電信號，分別用相應信道同時并行傳送出去，至少需要40萬個信道，不經濟，也不可能。利用人眼的視覺惰性，采用順序傳送方法，將各個像素的光信號按一定的順序變成電信號在一個信道內傳輸，接收端再按同樣的順序將電信號變成光信號，只要速度足夠快，人眼感覺圖像就是完整和連續(xù)的。第2章電視傳像基本原理順序傳送示意圖對比:同時傳送示意圖第2章電視傳像基本原理3.掃描將光圖像轉換成順序傳送的電信號的過程及其逆過程稱為掃描。fL(m,n,k

)三維圖像信號f(t)一維電視信號掃描

行掃描————正程：從左到右水平掃描掃描逆程：快速從右端返回左端場掃描———正程：從上到下垂直掃描逆程：快速從下端返回上端

在時間上每幀圖像周期重復上述掃描第2章電視傳像基本原理2.1.2光-電/電-光轉換原理發(fā)端：通過攝像機實現光（三維圖像）——電（一維信號）轉換收端：通過顯像管或顯示屏實現電（一維信號）——光（三維圖像）轉換1.攝像CCD攝像機，CCD（ChargeCoupleDevice）：電荷耦合器件

MOS（MetalOxideSemiconductor）：金屬氧化物半導體CMOS攝像機，CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):互補金屬氧化物半導體彩色電視傳送示意圖第2章電視傳像基本原理讀出移位寄存器（遮光）圖像信號感光單元存貯轉移區(qū)光敏成像區(qū)轉移移位寄存器（遮光）

幀轉移CCD攝像機三相CCD電荷轉移（參見5.2.3節(jié)）第2章電視傳像基本原理2.顯像

陰極射線管（CathodeRayTube—CRT)工作原理

由電子槍陰極發(fā)出電子束，在偏轉磁場作用下，按照與攝像管相同的掃描規(guī)律，在高壓陽極的吸引下轟擊熒光屏。電視信號加到顯像管的柵極，控制電子束的能量，從而控制熒光粉的發(fā)光亮度，使熒光屏正確重現發(fā)端圖像。

（1）空間混色方式第2章電視傳像基本原理蔭罩式彩色顯像管

三槍三束顯像管RGB點陣單槍三束自會聚顯像管RGB點陣（參見6.4.5節(jié)）品字形排列一字形排列第2章電視傳像基本原理

新型顯示器：平板顯示器(FPD-FlatPanelDisplay)參見6.9節(jié)液晶顯示器：LCD(LiquidCrystalDisplay)扭曲向列型LCD原理薄膜晶體管（TFT）矩陣驅動電極信號電壓掃描電壓襯底紅綠藍濾色膜液晶閥基片冷陰極熒光燈亮狀態(tài)暗狀態(tài)第2章電視傳像基本原理等離子體顯示屏PDP(PlasmaDisplayPanel)惰性氣體輝光放電紅綠藍熒光粉表面放電式ACPDP單元表面放電式彩色ACPDP結構維持電極（脈數調制）第2章電視傳像基本原理

2.同時投影混色方式：參見6.10節(jié)CRT背投

光源信息源合一第2章電視傳像基本原理LCOS硅基板液晶(LiquidCrystalOnSilicon)光源信息源分離PBS-極化分光鏡：反射S偏振光，投射P偏振光第2章電視傳像基本原理DLP數字光處理器(DigitalLightProcessing)光源信息源分離像素單獨控制DMDDigitalMicromirrorDevice數字微鏡器件根據顯示的數據信息控制微鏡在一幀內開關的時間間隔TIR棱鏡—全反射棱鏡（高速旋轉）第2章電視傳像基本原理逐行掃描電流波形：（a）行掃描鋸齒波電流（b）幀掃描鋸齒波電流

§2.2電視掃描原理以CRT顯像管為例，通過行（水平）掃描和幀（垂直）掃描共同形成矩形掃描光柵：2.2.1逐行掃描第2章電視傳像基本原理逐行掃描光柵a.只有行掃描時b.只有場掃描時

c.幀正程掃描d.幀逆程掃描e.消去行幀逆程后的掃描光柵逐行掃描動畫第2章電視傳像基本原理行掃描基本參數行正程掃描時間:，行逆程掃描時間:行掃描周期：，行掃描頻率：幀掃描基本參數幀正程掃描時間:，幀逆程掃描時間:幀掃描周期：，幀掃描頻率：正程掃描時間占整個掃描周期的大部分：行掃描逆程系數：，一般18％幀掃描逆程系數：，一般8％每幀的光柵互相重疊，設每幀掃描行數為Z，則：第2章電視傳像基本原理2.2.2隔行掃描1.隔行掃描的提出我國標準為625行/幀（按幀正程600行計算），幀頻50Hz，每行有800個像素(按400個正弦波周期計算)，采用逐行掃描方式，要求電視信號帶寬為：對電子線路系統(tǒng)和頻率資源都提出很高的要求。希望使電視信號帶寬減半。一種方法是幀頻減半，會引起電視畫面的大面積閃爍；另一種方法是每幀掃描行數減半，會引起垂直分解力降低，圖像清晰度下降。這兩種方法都不可取。根據人眼的視覺特性，一幀圖像分兩場掃描，一場掃描奇數行，另一場掃描偶數行，兩場合為一幀，即采用隔行掃描方式。此時：活動圖像25幀/秒=50場/秒>臨界閃爍頻率=48Hz每場掃描行數：312.5行，每幀掃描行數：625行,理論垂直分解力不變。由于幀頻減半，電視信號帶寬減半：Δf=6MHz

即在不引起大面積閃爍同時垂直分解力基本不變的情況下，比逐行掃描方式節(jié)省一半信號帶寬。第2章電視傳像基本原理2.隔行掃描光柵的形成

奇數行掃描（奇數場）偶數行掃描（偶數場）兩場均勻鑲嵌形成一幀圖像隔行掃描應滿足的基本要求每幀起點相同，各幀掃描光柵重疊。要求：每幀必須為整數行；相鄰奇偶兩場光柵均勻鑲嵌，各場掃描波形一樣，要求：每場為整數行加半行，即每幀必須為奇數行，Z=2n+1

行頻與場頻關系：第2章電視傳像基本原理隔行掃描光柵忽略行場掃描逆程的隔行掃描光柵示意圖第2章電視傳像基本原理

我國模擬電視掃描標準：隔行掃描，每幀625行，每幀兩場，每場312.5行幀頻：，場頻：場周期：

(，)行頻：行周期：

(，)

3.隔行掃描的缺點

行間閃爍效應

每行按幀頻25Hz出現，低于臨界閃爍頻率，觀看比較亮的細節(jié)，會感覺行間閃爍。并行現象

a.真實并行:行逆程以及掃描非線性等因素使奇偶場光柵不能均勻鑲嵌。

b.視在并行:若圖像中的運動物體在垂直方向有足夠大的速度分量，例如每場剛好下移一行，則后一場物體圖像與前一場相同，看起來好象兩行變成一行。視在垂直分解力：是逐行掃描垂直分解力的倍（隔行因子）。高速水平運動物體出現垂直邊緣的“鋸齒化”現象。第2章電視傳像基本原理2.2.3掃描的同步1.同步掃描為了正確重現圖像，發(fā)送端和接收端的掃描必須嚴格保持步調一致，即同頻同相。

行不同頻：行頻略高

行頻略低

原圖像

場不同頻：場頻略高（圖像向下移動）；場頻略低（圖像向上移動）行、場不同相：待傳送圖像收、發(fā)端掃描相差半行收、發(fā)端掃描相差半場第2章電視傳像基本原理

為了實現同步掃描，電視發(fā)送端每掃描完一行加入一個行同步脈沖；每掃描完一場加入一個場同步脈沖。行同步脈沖和場同步脈沖組合成復合同步脈沖：行同步場同步312.5行2.5行4.7μs2.消隱：掃描逆程期間信號電平為黑電平，使電子束截止，屏幕為黑色，起到消隱逆程光柵痕跡的作用。行消隱脈沖：脈寬12μs，場消隱脈沖：脈寬1.6ms（25行），二者組成復合消隱脈沖：場消隱1600μs(25行)12μs黑電平行消隱負極性電視信號第2章電視傳像基本原理復合同步脈沖僅起控制同步作用，不應在屏幕上顯示出來，故疊加在復合消隱脈沖之上。

4.7μs1.6μs5.7μs行同步脈沖和行消隱脈沖的時間關系

同步電平100%

黑電平70%12μs前肩后肩160μs(2.5TH)

160μs(2.5TH)

1600μs(25TH)場同步脈沖和場消隱脈沖的時間關系

用幅度分離方法實現復合同步脈沖與圖像信號分離。復合同步信號演示第2章電視傳像基本原理用微分與積分方法實現行同步脈沖與場同步脈沖分離。

行同步分離：微分電路（T為行同步脈寬4.7μs）入出AB

開槽：為避免行同步失落而造成行不同步，在場消隱期間仍需傳輸行同步，在場同步期間，需要對應每行的位置開一個寬為4.7μs的槽。

3.為便于行場同步分離所采取的措施第2章電視傳像基本原理

場同步分離：積分電路出入AC觸發(fā)電平分離的場同步脈沖開槽的復合同步第2章電視傳像基本原理

問題：由于一場中最后一個行同步到達奇數場和偶數場場同步前沿的時間不同，造成積分電容上的起始電壓不等，使奇偶相鄰兩場的積分波形不同，另外，奇、偶場開槽的位置不同也使積分波形不同，造成奇、偶場積分波形到達同一觸發(fā)電平的時刻不同（相差Δt），使相鄰兩場掃描的起始位置不同，影響隔行掃描的準確性。積分輸出波形演示

第2章電視傳像基本原理

措施：加均衡脈沖、槽脈沖，使相鄰兩場的復合同步信號通過積分后波形一致。在場同步期間每半行加一個槽脈沖。在奇偶相鄰兩場場同步信號的前后2.5行每隔半行加一個均衡脈沖，為使每半行加一個脈沖后積分電容上的電壓不增加，要把脈沖寬度減半，即4.7μs的一半為：2.35μs。

前5個脈沖為前均衡脈沖

后5個脈沖為后均衡脈沖

第2章電視傳像基本原理第2章電視傳像基本原理黑白全電視信號

黑白全電視信號第2章電視傳像基本原理2.3.1圖像的幾何特征幅型比屏幕尺寸標清電視4：3<34in.高清電視16：9>34in.垂直視角水平視角θV=15°θH=20°θV=17°θH=30°§2.3電視圖像的基本參量第2章電視傳像基本原理幾何失真非線性畸變

行、場掃描非線性系數：要求非線性失真系數β＜10%第2章電視傳像基本原理枕型畸變桶型畸變QΔQGΔG要求幾何畸變系數D<3%幾何畸變系數：

幾何畸變第2章電視傳像基本原理2.3.2圖像的連續(xù)性與場頻的確定為不使人眼產生閃爍感，要求場頻≥48Hz,（50,60,100,120Hz）2.3.3掃描行數及有關參數的確定圖像清晰度：主觀感覺到的圖像細節(jié)呈現的清晰程度電視系統(tǒng)分解力：電視系統(tǒng)傳送圖像細節(jié)的能力電視系統(tǒng)分解力越強，可能的圖像清晰度就越高標稱分解力：用掃描行數表征的電視系統(tǒng)分解力（單位：線）標稱分解力包括：垂直分解力和水平分解力垂直分解力：系統(tǒng)沿圖像垂直方向所能分解的像素數有效掃描行數：Z（1－β），β:場逆程系數，Z:每幀行數考慮到被攝景物與攝像感光單元的垂直相對位置存在各種隨機關系，垂直分解力:第2章電視傳像基本原理實際圖像掃描重現圖像取垂直分解力：：凱爾系數水平分解力：與垂直分解力相匹配，設K為幅型比，則掃描行數的確定：掃描行數↑圖像清晰度↑圖像信號帶寬↑原則：適應人眼的空間分辨力：標清電視取Z=625，高清電視取Z>1000

垂直分解力演示

第2章電視傳像基本原理圖像信號的最高頻率（頻帶寬度）水平方向所能分解的像素數:

N＝KM＝KKe(1－β)Z

沿水平方向掃過一個像素所需時間為：圖像信號的最高頻率為：電視圖像的最高頻率對應水平方向周期為的正弦波

逐行掃描隔行掃描按我國電視標準計算：K=4/3，fV=50Hz,Z=625,α=18%,β=8%,Ke=0.76

，則：fmax=5.6MHz，取fmax=6MHz第2章電視傳像基本原理圖像的亮度層次視亮度的對比度靈敏度閾值：設：則：對比度：人眼能分辨的亮度層次：

人眼能分辨的亮度層次與圖像對比度的對數成正比例:

當ξ=0.05，C=40時，N=742.3.4圖像亮度與色度的非線性矢真第2章電視傳像基本原理亮度的非線性失真顯像管電光轉換特性：柵壓系統(tǒng)的非線性對亮度層次的影響：γ>1：暗區(qū)域對比度減小—亮度層次減少；亮區(qū)域對比度增加—亮度層次增加；總對比度增加—總亮度層次增加。γ<1：暗區(qū)域對比度增加—亮度層次增加；亮區(qū)域對比度減少—亮度層次減少；總對比度減少—總亮度層次減少。第2章電視傳像基本原理被攝彩色為100%飽和度的基色：例如紅色，R0≠0,G0=B0=0被攝彩色——色調：飽和度：重現彩色——色調：

飽和度：被攝彩色為100%飽和度的補色：例如黃色，B0=0,R0=G0被攝彩色——色調：飽和度：

彩色的非線性失真系統(tǒng)非線性系數為γ，顯示三刺激值與攝像三刺激值的關系：第2章電視傳像基本原理重現彩色——色調：

飽和度：被攝彩色為白光CW

：R0=G0=B0

被攝彩色——色調：

飽和度：重現彩色——色調：

飽和度：以上三種情況都是色度不變。第2章電視傳像基本原理

被攝彩色為100%飽和度的其他彩色：設R0

>

G0，B0=0

被攝彩色——色調：

飽和度：重現彩色——色調：

飽和度：飽和度不變色調偏向大者（紅）色調偏向小者（綠）第2章電視傳像基本原理

被攝彩色為非100%飽和度的彩色：R0

、

G0、B0均不為零，不全相等，設B0最小

被攝彩色——色調：

飽和度：重現彩色——色調：被攝彩色F可看作色調色Fh與白色Cw混合而成，根據前面的分析，在重現彩色中，Cw的色度不變，F的色調變化與Fh的變化一致，即當γ>1時，色調偏向大者，反之偏向小者。

飽和度：飽和度增大飽和度減小第2章電視傳像基本原理結論：三基色、三補色和C白的色度不受傳輸系統(tǒng)非線性系數γ的影響，重現彩色在色三角形中的坐標位置不變。其它各種彩色經γ＞1時的系統(tǒng)傳輸后，色度坐標將向三角形的三邊或頂點方向移動；而γ＜1時，移動方向恰好相反，即向三角形中心或三邊中心靠近。圖中箭頭是γ＞1的情況，γ<1時箭頭方向相反。白第2章電視傳像基本原理γ校正電視系統(tǒng)的非線性會引起顯示圖像的亮度和色度失真，因此校正電視系統(tǒng)的非線性失真是必要的。γ校正：為校正由電視接收端電光轉換特性所產生的非線性失真，在發(fā)送端所采取的預失真措施稱為γ校正。

顯像端γ失真（電光轉換非線性系數γ=2~3

）：

攝像端γ校正：系統(tǒng)校正后的特性（線性）：第2章電視傳像基本原理§2.4視頻圖像信號視頻圖像信號：經掃描和光電轉換過程由光像轉變成的電信號，再經校正和線性組合等過程而形成的視頻信號。2.4.1黑白視頻信號

黑白視頻信號波形圖像亮度信號—單極性兩種極性：正極性：圖像亮度↑，信號電平↑負極性：圖像亮度↑，信號電平↓圖像亮度信號+復合消隱信號+復合同步信號→黑白視頻信號負極性黑白視頻信號（以灰度條為例）第2章電視傳像基本原理位于行頻fH及其諧波nfH上的線狀譜（主譜線），6MHz帶寬最高諧波次數n=384，統(tǒng)計而言，n越大，幅度越小。ΩH：行頻角頻率,Cn：復振幅設只考慮正頻率：黑白視頻信號頻譜只在水平方向有亮度變化的靜止圖像：以行頻重復的周期信號第2章電視傳像基本原理位于nfH±m(xù)fF上的線狀譜，在nfH主譜線兩旁存在著幀頻及其諧波組成的副譜線，幅度隨m增大很快衰減（幾十對），垂直方向相關性較強，幀頻奇數倍成份相對較小。

在垂直方向也有亮度變化的靜止圖像：以行頻和幀頻重復的周期信號第2章電視傳像基本原理對于運動圖像，增加了幀頻副譜線兩側的連續(xù)頻譜。結論：黑白視頻信號的頻譜由在0～6MHz范圍內以行頻及其各次諧波為中心的譜線群組成。譜線群間存在著較大的空隙，可以在不擴展頻帶的情況下插入彩色信號。運動圖像信號的頻譜第2章電視傳像基本原理

2.4.2亮度信號、色差信號及其組成原理彩色電視系統(tǒng)的傳輸信號并非三個基色信號，而是經轉換的一組傳輸信號：一個亮度信號Y，兩個代表色度的信號—色差信號(R-Y)和(B-Y)。亮度方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B

R-Y=R-（0.30R+0.59G+0.11B）=0.70R-0.59G-0.11BB-Y=B-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R-0.59G+0.89B在接收端先用矩陣電路解出(G-Y)，再恢復出基色信號：

【因為Y=0.30Y+0.59Y+0.11Y，

0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0】(R-Y)+Y=R

，(G-Y)+Y=G

，(B-Y)+Y=B

第2章電視傳像基本原理

三基色信號轉換成亮度和色差信號傳送的優(yōu)點：由于傳送了一個與黑白電視相同的亮度信號，因此具有兼容性和逆兼容性；實現恒定亮度傳輸，使彩色圖像具有較高的信噪比。恒定亮度原理：色差信號中只含有色度信息不含有亮度信息，其變化不影響亮度信號，重現圖像的亮度只由亮度信號決定。設γ=1，攝像端原景物亮度為Y0，傳輸后的亮度信號和色差信號

為Yt、(R-Y)t、(B-Y)

t（相對于發(fā)端而言，幅度有所變化）；用于重現彩色圖像的三基色信號：

Rd

=(R-Y)t+Yt

，Bd=(B-Y)t+Yt，Gd

=[-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t]+Yt顯示的亮度Yd為Yd=0.30Rd+0.59Gd+0.11Bd=0.30[(R-Y)t+Yt

]+0.59{[-0.51(R-Y)t-0.19(B-Y)t

]+Yt}+0.11[(B-Y)t

+Yt]=Yt

重現的亮度Yd只與傳送到接收端的亮度信號Yt有關，色差信號變化或受到干擾，不影響亮度。第2章電視傳像基本原理便于高頻混合，既可節(jié)省頻帶，又可減輕亮、色信號的相互干擾。高頻混合原理：從人眼對亮度細節(jié)和色度細節(jié)的分辨力不同出發(fā)，亮度信號用全部視頻帶寬傳送，色差信號用較窄帶寬傳送。接收端恢復的三個基色信號的低頻部分是亮度和色差信號共同傳送的，高頻部分都用同一個亮度信號的高頻部分補充。我國電視標準：色度信號帶寬：0～1.3MHz

亮度信號帶寬：0～6MHz色度信號在亮度信號的頻譜空隙傳輸，相加后總的彩色視頻信號帶寬仍為：0～6MHz，提高了頻帶利用率。接收端：(R-Y)0~1.3+Y0~6=R0~1.3+Y1.3~6

(G-Y)0~1.3+Y

0~6=G0~1.3+Y1.3~6大面積著色

(B-Y)0~1.3+Y

0~6=B0~1.3+Y1.3~6第2章電視傳像基本原理標準彩條

標準彩條紅基色

標準彩條綠基色

標準彩條藍基色

100-0-100-0彩條三基色信號：白黃青綠紫紅藍黑R11001100G11110000B101010102.4.3標準彩條信號第2章電視傳像基本原理

白黃青綠品紅藍黑

B-YG-Y第2章電視傳像基本原理彩條四數碼表示法(EBU彩條)：如:100-0-100-0彩條

100-0-75-0彩條第一、第二表示組成白條和黑條的R、G、B的最大值(%)和最小值(%)；第三、第四表示組成彩色條的R、G、B的最大值(%)和最小值(%)；例如：100-0-75-0標準彩條三基色信號電壓波形第2章電視傳像基本原理2.5.1電視信號數字處理的優(yōu)點抗干擾、抗非線性失真能力強。便于存貯。便于實現包括時間軸的三維數字處理，實現模擬電視不能實現的功能?？纱笠?guī)模集成，易于調整，體積小，壽命長。便于與其他數字設備接口?！?.5視頻圖像信號的數字化2.5.2數字電視信號的產生和復原A/D轉換器D/A轉換器數字處理器模擬信號輸入模擬信號輸出電視信號數字處理簡要框圖編碼器解碼器第2章電視傳像基本原理2.5.3分量編碼分別對彩色電視信號的三個分量Y、(R-Y)、(B-Y)進行數字化編碼稱為分量編碼。采樣頻率遵循采樣定理（525行系統(tǒng)帶寬4.2MHz，625行系統(tǒng)帶寬5.6MHz）,采樣頻率大于系統(tǒng)帶寬的兩倍；具有正交結構，即第二行采樣點在第一行正下方，采樣頻率應為行頻的整數倍。ITU-R

BT.601（電視演播室分量編碼國際標準）規(guī)定： 對于標準清晰度電視，亮度信號采樣頻率13.5MHz

色度信號采樣頻率6.75MHz第2章電視傳像基本原理

采樣結構（正交結構，空間同位）4:2:2標準的采樣結構4:2:0標準的采樣結構代表亮度樣點，代表色度樣點4:2:2標準:

Y/(R-Y)/(B-Y)的采樣頻率為13.5MHz/6.75MHz/6.75MHz4:1:1標準:Y/(R