《视频技术基础》第二章

电 视 成 像 原 理 与 视 频 信 号 的 产 生 2. 1 概 述 要 实 现 图 像 信 息 的 传 输 ， 需 要 将 景 物 的 光 图 像 转 换 成 图 像 电 信 号 。 （ 1） 光 电 转 换 过 程 是 依 靠 摄 像 器 件 （ 含光 学 镜 头 ） 完 成 的 。 （ 2） 像 素 ： 将 一 幅 空 间 上 连 续 的 黑 白 图 像 分解 成 许 多 小 单 元 ， 称 为 像 素 。 （ 3） 扫 描 ： 将 图 像 分 解 成 像 素 后 顺 序 传 送 。 摄 像 管 光 电 转 换 原 理 示 意 图 摄 像 管 成 像 的 机 理 利 用 光 电 导 材 料 将 光 像 变 成 电 荷 像 ， 再通 过 电 子 束 扫 描 拾 取 电 荷 ， 变 成 图 像 信 号 。 无 光 照 射 时 ， 光 敏 半 导 体 材 料 体 电 阻 很大 ； 有 光 照 射 到 靶 面 外 层 ， 光 敏 半 导 体 材 料的 电 阻 变 小 ， 且 变 化 量 与 光 通 量 成 正 比 。 利 用 这 一 特 性 ， 通 过 镜 头 在 靶 面 外 侧 形成 的 光 学 图 像 ， 变 成 光 敏 材 料 的 电 阻 构 成 了电 荷 像 。 由 于 靶 平 面 的 横 向 电 阻 远 远 大 于 靶 剖 面的 纵 向 （ 光 传 播 方 向 ） 电 阻 ， 靶 面 的 电 荷 不会 横 向 扩 散 。 利 用 有 一 定 截 面 积 的 电 子 束 扫 描 靶 的 内侧 ， 靶 面 被 分 解 成 若 干 独 立 的 单 元 象 素 。 每个 象 素 可 等 效 一 个 光 敏 电 阻 和 一 个 电 容 ， 电荷 被 存 储 在 等 效 电 容 中 。 当 电 子 束 射 向 靶 且 扫 过 靶 上 的 某 一 象 素时 ， 等 效 电 容 上 的 电 荷 通 过 电 子 束 ， 阴 极 ，信 号 电 极 ， 外 接 负 载 电 阻 RL， 靶 压 电 源 放 电 ，在 负 载 电 阻 RL形 成 视 频 信 号 输 出 。 象 素 的 等 效 电 容 在 未 被 扫 描 期 间 完 成 的 是充 电 过 程 ， 在 电 子 束 扫 描 期 间 完 成 的 是 放 电 过程 。 CCD图 像 传 感 器 1970年 出 现 电 荷 耦 合 器 件 （ Charge Coupled Devices， CCD） ， 1987年 报 告 了 第一 代 广 播 用 CCD摄 像 机 ， 相 继 出 现 SDTV和HDTV的 CCD摄 像 机 。 CCD传 感 器 是 一 种 低 电 压 自 扫 描 器 件 ，重 量 轻 ， 隔 行 析 像 好 大 大 改 善 了 成 像 系 统 的垂 直 分 辨 率 。 CCD图 像 传 感 器 工 作 原 理 ：（ 1） 光 电 转 换 ： 光 敏 区 （ 感 光 区 ） 在 光 照下 产 生 光 电 子 ， 将 像 素 的 明 暗 程 度 转 换 成相 应 数 值 的 光 电 荷 量 ；（ 2） 电 荷 转 移 ： 存 储 区 接 收 感 光 区 产 生 的 光电 荷 ；（ 3） 自 扫 描 ： 不 依 靠 外 加 磁 场 ， 由 加 在 CCD电 极 上 的 时 钟 脉 冲 控 制 ， 对 应 于 各 像 素 的光 电 荷 按 顺 序 转 换 成 电 信 号 输 出 ， 形 成 视频 信 号 。 CCD器 件 的 基 本 结 构 信 息 存 储 P型 半 导 体 基 片 UGUth MOS 金 属 电 极 反 型 层 光 敏 面光 SiO2 UBUAP型 硅 电 荷 转 移 （ 耦 合 ）光 敏 单 元 光 电 荷 转 移 单 元完 成 光 /电 转 换 完 成 电 信 号 传 输 1 2 3 4 1 22V 102V 10V 10V 2V 2V 1 2 3 4 1 22V 2V 10V 10V 2V 2V电 荷 转 移 （ 耦 合 ） 电 荷 转 移 （ 耦 合 ） 1 2 3 4 1 210V 2V 10V 10V 10V 2V1 2 3 4 1 22V 2V 10V 10V 10V 2V Id RSUD RNP-Si OGCR2CR1 输 出信 号A信 息 拾 取 VR 2. 2 CCD像 感 器 的 抽 样 原 理 电 子 束 扫 描 的 摄 像 器 件 在 水 平 方 向 上 输出 的 信 号 是 连 续 的 ， 所 输 出 信 号 的 视 频 频 带带 宽 决 定 于 电 视 扫 描 制 式 （ 以 后 再 讨 论 ） 。 CCD摄 像 器 件 存 在 一 个 读 出 转 移 过 程自 扫 描 方 式 完 成 。 光 屏 蔽 （ 铝 ）视 频输 出水 平 寄 存 器CCD光 敏 单 元垂 直 寄 存 器行 间 转 移 型 CCD摄 像 器 件 的 结 构 CCD的 一 个 象 素 分 成 两 个 关 键 部 分 ： 一 个 光 敏 单元 和 一 个 离 散 分 布 垂 直 寄 存 器 ， 寄 存 器 不 受 光 照 射 。 在 场 扫 描 正 程 期 间 ， 光 敏 单 元 积 累 的 电 荷 正 比 于投 射 到 光 敏 面 上 的 光 子 。 在 场 消 隐 期 ， 光 敏 单 元 的 电 荷 迅 速 转 移 到 相 邻 的垂 直 寄 存 器 中 。 在 下 一 个 场 正 程 期 间 ， 在 光 敏 单 元 积 累 电 荷 的 同时 ， 垂 直 寄 存 器 的 电 荷 在 行 逆 程 逐 行 向 水 平 移 位 寄 存器 转 移 ， 每 个 行 周 期 只 转 移 一 行 ； 从 水 平 移 位 寄 存 器顺 序 读 出 一 行 象 素 电 荷 ， 输 出 视 频 图 像 信 号 。 光 学 抽 样 分 析 任 何 物 体 在 某 一 方 向上 的 光 强 分 布 都 可 以 通 过傅 立 叶 变 换 分 解 成 具 有 不同 空 间 频 率 的 周 期 性 变 化成 分 ， 即 正 弦 波 光 栅 。CCD像 感 器 的 光 电 变 换 实 际是 光 敏 单 元 对 正 弦 波 光 栅 的 抽 样 。 xL0 W tuc0 u t0 xL0 x L0 W 光 学 抽 样 分 析 要 求 CCD光 敏 单 元 所 进 行 的 光 电 转 换必 须 满 足 抽 样 定 理 。 即 Fs 2 F0Fs CCD光 敏 单 元 水 平 方 向 的 重 复 频 率F0光 信 号 的 最 高 空 间 频 率 CCD的 象 素 数 是 影 响 CCD摄 像 机 分 辨 率的 主 要 因 素 。 面 阵 CCD摄 像 器 件 的 三 种 基 本 结 构光 敏 区存 储 区 (a) (b) (c) 2. 3 CCD的 光 电 转 换 (a)帧 转 移 型 面 阵 CCD （ b） 行 间 转 移 型 面 阵 CCD （ c） 帧 行 间 转 移 型 面 阵 CCD 感 光 区存 储 区1V 3VTGFT方 式 1P水 平 区 1H 3H2H OG 感 光 区存 储 区 视 频输 出3P 1P 2V 2P （ 1） FT CCD结 构 及 其 自 扫 描 典 型 的 FT CCD（ Frame Transfer CCD） 它 由 四 大 部 分 组 成 ： 光 敏 区 （ 感 光 区 ） 、 存 储 区 、 水 平 移 位寄 存 器 （ 水 平 区 ） 和 读 出 区 （ 读 出 放 大器 ） 。 光 敏 区 与 存 储 区 的 结 构 相 同 ， 只 是 前者 感 光 ， 后 者 由 于 没 有 光 敏 层 而 不 感 光 。 要 传 输 一 幅 平 面 图 像 ， 首 先 由 CCD的 光敏 单 元 将 连 续 的 空 间 光 学 图 像 分 解 ， 然 后 将每 个 象 素 进 行 光 电 转 换 ， 将 该 象 素 所 对 应 的电 信 号 顺 序 转 换 出 去 ， 形 成 视 频 信 号 。 在 FT-CCD结 构 中 ， 电 荷 从 上 到 下 ， 从 左 到 右 的 转移 ， 它 是 由 加 在 CCD各 电 极 上 的 时 钟 脉 冲 控制 完 成 的 。 所 谓 自 扫 描 是 相 对 电 子 束 扫 描 而 言 的 。在 面 阵 CCD摄 像 器 件 的 光 敏 单 元 中 ， 电 荷 的转 移 是 由 加 在 CCD各 电 极 上 的 时 钟 脉 冲 控 制完 成 的 。 而 这 些 时 钟 脉 冲 是 与 电 子 束 扫 描 形成 光 栅 的 行 、 场 同 步 脉 冲 同 步 的 。 CCD摄 像器 件 的 电 信 号 读 出 是 依 靠 电 极 上 的 时 序 脉 冲完 成 的 ， 不 需 外 加 偏 转 磁 场 ， 故 称 为 CCD的自 扫 描 。 （ 2） 行 间 转 移 型 (IT型 ， Interline Transfer) 如 图 所 示 。 摄 像 器 件 的光 敏 成 像 部 分 和 存 储 部 分以 垂 直 列 相 间 的 形 式 组 合 。在 场 正 程 期 间 ， 在 成 像 列积 累 信 号 电 荷 ， 场 消 隐 期间 一 次 转 移 到 相 应 的 存 储列 上 。 存 储 列 的 信 号 在 每一 行 消 隐 期 间 沿 垂 直 方 向下 移 一 个 单 元 ； 在 行 正 程期 间 ， 由 水 平 CCD移 位 寄存 器 逐 像 素 读 出 信 号 。 (b) 光 敏 区存 储 区行 间 转 移 型 面 阵 CCD （ 3） 帧 行 间 转 移 型 FIT CCD（ Frame Interline Transfer CCD）视 频 输 出 光 敏 单 元光 敏 区存 储 区 垂 直 移 位 寄 存 器FIT CCD结 构 2 3 2 MOS型 像 传 感 器 及 其 工 作 原 理 互 补 型 金 属 氧 化 物 半 导 体 （ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CMOS） CMOS图 像 传 感 器 的 特 点 ： 1. 低 电 压 工 作 和 低 功 耗 ； 2. 与 片 上 电 子 电 路 （ 如 控 制 逻 辑 、 定 时 、 图 像 处理 、 DSP、 接 口 电 路 ） 兼 容 。 网 络 摄 像 机 ， 网 眼 等 ； 3. 图 像 数 据 随 机 存 取 ； 4. 低 成 本 、 体 积 小 ；性 噪 比 、 灵 敏 度 较 低 （ 0.1 1Lx） 、 空 间 分 辨 率 、 5. 动 态 范 围 、 光 谱 特 性 较 差 ； CMOS图 像 传 感 器 的 工 作 原 理 ： CMOS图 像 传 感 器 的 各 个 象 素 实 质 上 是一 个 个 的 微 型 光 敏 二 极 管 。在 象 素 曝 光 期 间 ， 入 射 光 照 射 光 敏 二 极 管 VD而 产 生 电 荷 并 存 储 于 电 容 器 C上 。 在 控 制 电压 作 用 下 ， 场 效 应 管 VT导 通 后 ， 电 容 C上积 累 的 电 荷 通 过 VT传 送 至 垂 直 总 线 上 的 负载 电 阻 RL并 转 换 成 电 压 信 号 。 输 出 放 大 器VDHD RLEQ 34Q33Q32Q31 Q24Q23Q22Q21 Q14Q13Q12Q11 Qh4Qh3Qh2Qh1H2 H3H1 H4V2V1V 3垂直扫描器 水 平 扫 描 器 输 出 2 3 4 彩 色 视 频 信 号 的 产 生 要 获 取 彩 色 视 频 信 号 ， 不 能 简 单 采 用 单 片 的CCD像 传 感 器 ， 因 为 此 时 CCD像 传 感 器 在 进 行 光 电转 换 时 只 对 光 的 强 弱 敏 感 ， 也 就 是 说 ， 它 只 能 识 别光 强 ， 不 能 识 别 波 长 或 光 谱 。 为 了 得 到 彩 色 视 频 信号 ， 需 要 将 景 物 的 彩 色 分 解 成 三 种 基 色 光 后 再 分 别投 射 到 三 片 CCD像 传 感 器 上 ， 再 由 CCD读 出 各 自 对应 的 三 种 基 色 信 号 。 EREGEBEB0EG0ER0B0R0G0 光 电 信号处理与传输 RC FC光 电光 电 GC BCFC R0F 0 G0 B0 三 片 式 CCD彩 色 摄 像 机 结 构 框 图 绿 色 滤 色 器蓝 色 滤 色 器红 色 滤 色 器光 敏 单 元 光 敏 单 元 和 滤 色 器 的 排 列 关 系 GH YLCCD 缓 冲 1H延 迟 彩 色 分 离 缓 冲缓 冲低 通 低 通 低 通 低 通 放 大放 大放 大 缓 冲 处 理处 理 亮 度 信号 放 大 减 法 混 合 混 合混 合R-Y调 制B-Y调 制 900 SYNC副 载 波 处 理RBG 彩色电视信号 图 像 信 号 处 理 器 2. 4 逐 行 扫 描 与 隔 行 扫 描2. 4. 1 显 象 管 扫 描 的 光 栅 结 构 传 统 的 显 示 器 采 用 CRT（ cathode ray tube 阴 极射 线 管 ） 显 示 ， 高 速 运 动 的 电 子 束 轰 击 屏 幕 上 的 荧光 物 质 发 光 。 荧 光 屏 的 发 光 强 弱 取 决 于 轰 击 电 子 的数 量 与 速 度 ， 只 要 用 代 表 图 像 的 电 信 号 去 控 制 电 子束 的 强 弱 ， 在 磁 偏 转 电 流 的 作 用 下 ， 电 子 束 有 规 律的 自 上 而 下 扫 描 整 个 屏 幕 ， 便 能 完 成 由 电 到 光 的 转换 ， 显 示 出 与 景 物 一 致 的 图 像 。 CCD摄 像 器 件 与 液 晶 显 示 器 件 的 工 作 方 式 与 显象 管 的 工 作 方 式 有 所 不 同 自 扫 描 方 式 。 （ 1） 概 述 ： 显 像 管 中 的 电 子 束 扫 描 是 通 过 在 水 平偏 转 线 圈 和 垂 直 偏 转 线 圈 中 通 过 锯 齿 电 流 来 实 现 的 。 行 扫 描 ： 在 水 平 偏 转 线 圈 所 产 生 的 垂 直 磁 场 作 用 下 ， 电 子 束沿 着 水 平 方 向 扫 描 ， 叫 做 行 扫 描 。 场 扫 描 ： 在 垂 直 偏 转 线 圈 所 产 生 的 水 平 磁 场 作 用 下 ， 电 子 束沿 垂 直 方 向 扫 描 ， 叫 做 场 扫 描 。 光 栅 ： 电 子 束 扫 描 在 荧 光 屏 上 形 成 的 发 光 轨 迹 （ 扫 描 线 ） 。 逐 行 扫 描 与 隔 行 扫 描 ：在 逐 行 扫 描 中 ， 所 有 帧 的 光 栅 都 应 相 互 重 合 ， 这就 要 求 帧 扫 描 周 期 TZ是 行 扫 描 周 期 TH的 整 数 倍 ，也 就 是 说 每 帧 的 扫 描 行 数 Z为 整 数 。 隔 行 扫 描 就 是 把 一 帧 图 像 分 成 两 场 来 扫 ： 第 一 场 扫 描 1、 3、 5、 奇 数 行 ， 称 为 奇 数 场 ； 第 二场 扫 描 2、 4、 6、 偶 数 行 ， 称 为 偶 数 场 。 每 帧 图像 经 过 两 场 扫 描 ， 所 有 像 素 全 部 扫 完 。 偶 数 场 扫 描 线 正 好 嵌 在 奇 数 场 扫 描 线 的 中 间 ， 构 成 一 幅 （ 帧 ）完 整 图 像 。 逐 行 扫 描 ： 一 帧 画 面 （ 图 像 ） 一 次 性 完 成 扫 描 。隔 行 扫 描 ： 一 帧 画 面 （ 图 像 ） 分 二 场 完 成 扫 描 。 2222 181675 20921 143 211 1019 81715 6413 1211917 182021 1615 1413 1211 109 87 65 431 2逐 行 扫 描 光 栅 隔 行 扫 描 光 栅 （ 2） 逐 行 扫 描 光 栅 的 形 成 (a) 行 扫 描 电 流 ； (b) 帧 扫 描 电 流 ； (c) 扫 描 光 栅图 2-1 逐 行 扫 描 电 流 和 光 栅tiH(a) t1(b) THtTH t6iVt0 t6TZt TZrTZ (c)t1t0t2t3 t4 THrt5 t3 t2t4t5t0t 112 278 87 9 912 78 1287 Hi Vi t00 t1 2 1 2 8 98 9 HT HrTHtT VTVtT VrT 行 扫 描 行 扫 描 正 程 ， 行 扫 描 正 程 时 间 THt 行 扫 描 逆 程 ， 行 扫 描 逆 程 时 间 THr 行 扫 描 周 期 ： TH=THt+THr 行 扫 描 频 率 ： fH=1/TH场 扫 描 场 扫 描 正 程 ， 场 扫 描 正 程 时 间 TVt 场 扫 描 逆 程 ， 场 扫 描 逆 程 时 间 TVr 场 扫 描 周 期 ： TV=TVt+TVr 场 扫 描 频 率 ： f V=1/TV电 视 标 准 规 定 了 行 逆 程 系 数 和 场 逆 程 系 数 ： %8%18 VVrHHr TTTT 在 显 象 端 ， 行 场 锯 齿 波 是 与 发 送 端 送 来的 行 、 场 同 步 脉 冲 同 步 的 。 若 用 Z表 示 一 帧 的 扫 描 行 数 ， TV=ZTH 实 验 表 明 ， 只 有 当 换 幅 频 率 （ 即 帧 频 ）才 能 得 到 比 较 好 的 图 像 质 量 。 实 际 在 屏 幕 上 显 示 的 扫 描 行 数 小 于 Z。 500,48 ZHf ZV （ 3） 隔 行 扫 描 光 栅 的 形 成 ： 1. 下 一 帧 扫 描 起 点 与 上 一 帧 起 点 相 同 ， 以 保证各 帧 扫 描 光 栅 重 迭 ； 2. 相 邻 两 场 扫 描 光 栅 必 须 均 匀 镶 嵌 ， 以 获 得最高 清 晰 度 。 由 1， 每 帧 扫 描 行 数 必 须 为 整 数 ， 或 相 邻 两 场行 数 之 和 为 一 整 数 ；由 2， 而 各 场 扫 描 电 流 又 都 是 一 样 ， 则 每 场 均 须 包含 半 行 ， 每 帧 应 包 含 奇 数 行 。 这 时 ， 两 场 扫 描 的起 始 点 不 相 重 合 ， 但 两 场 光 栅 却 能 均 匀 镶 嵌 。 7593 2 1110 864 12111 109 87 65 431 2 13579 246801 11 理 论 上 的理 想 情 况 Hi Vi t00 t1 2 1 2 684 4 HT HrTHtT FTVT 3 5 7 9 11 873 5 9 11 102 6 01 理 论 上 的理 想 情 况 隔 行 扫 描 应 满 足 ： 1. 下 一 帧 扫 描 起 点 与 上 一 帧 起 点 相 同 ， 以 保证各 帧 扫 描 光 栅 重 迭 ； 2. 相 邻 两 场 扫 描 光 栅 必 须 均 匀 镶 嵌 ， 以 获 得最高 清 晰 度 。 由 1， 每 帧 扫 描 行 数 必 须 为 整 数 ， 或 相 邻 两 场行 数 之 和 为 一 整 数 ； 由 2， 每 场 均 须 包 含 半 行 ， 每 帧 扫 描 行 数 应 为奇 数 行 。 这 时 ， 两 场 扫 描 的 起 始 点 不 相 重 合 ， 但两 场 光 栅 却 能 均 匀 镶 嵌 。 帧 扫 描 与 场 扫 描 的 关 系 在 隔 行 扫 描 中 ， 一 帧 图 像 由 两 场 组 成 ， 显 然 帧周 期 TF可 表 示 为 ： 在 隔 行 扫 描 中 ， 为 了 保 证 两 场 扫 描 线 在 空 间上均 匀 镶 嵌 ， 为 此按 我 国 广 播 电 视 标 准 ， n=312， Z 625行 ，f v=50HZ fH 15625HZ， 每 场 312.5行 。偶奇偶奇 VVVVF TTTTT 22 VVVH fnfnfZf 212 122 我 国 电 视 标 准 规 定 ， 每 秒 传 送 25帧 ， 每帧 图 像 为 625行 ， 每 场 扫 描 312.5行 ， 每 秒 扫描 50场 。 场 频 为 50 Hz， 不 会 有 闪 烁 现 象 ， 一帧 由 两 场 复 合 而 成 ， 每 帧 画 面 仍 为 625行 ， 图像 清 晰 度 没 有 降 低 ， 而 频 带 却 压 缩 了 一 半 。 2. 4. 2 隔 行 扫 描 与 逐 行 扫 描 的 比 较1. 隔 行 扫 描 :n 为 了 保 证 电 视 图 像 有 足 够 的 清 晰 度 ， 扫 描 行 数需 在 600左 右 （ 我 国 标 准 为 625行 ） ； 每 幅 图 像约 44万 像 素 ；n 为 了 保 证 不 产 生 闪 烁 感 觉 ， 帧 扫 描 频 率应 在 48 Hz以 上 ， 这 样 图 像 信 号 的 频 带 就 会 很宽 （ 11MHz） ， 使 设 备 复 杂 化 。n 采 用 隔 行 扫 描 的 目 的 ： 为 了 既 保 证 图 像的 清 晰 度 ， 又 压 缩 信 号 频 带 宽 度 。 Z=625视 频 带 宽 的 计 算 ： （ 1） 采 用 逐 行 扫 描 方 式 TF=TV帧 扫 描 正 程 的 行 数 为 Z（ 1 ） 。考 虑 到 CCD的 光 学开 口 率 小 于 1，光 学 图 像 的 细 节 不 可 能 正 好 落 在 CCD的 光 敏 单 元上 ， 应 乘 以 小 于 1的 克 尔 系 数 K1 ， 图 像 垂 直 方 向的 有 效 行 数 （ 分 辨 率 ） 应 为 Z（ 1 ） K1； 扫 描 光 栅 的 幅 型 比 为 K， 可 以 认 为 水 平 方 向的 图 像 分 辨 率 与 垂 直 方 向 是 一 致 的 ， 水 平 方 向 可能 分 解 的 象 素 数 （ 即 列 数 ） 为 Z（ 1 ） K1K因 为 一 对 黑 白 象 素 在 光 电 转 换 后 对 应 一 个 正 弦 波周 期 ， 所 以 水 平 方 向 的 正 弦 波 周 期 数 KKZS 1121 行 扫 描 正 程 时 间其 中 ， TF 帧 周 期 ， 水 平 方 向 可 分 解 的 正弦 波 的 最 小 周 期视 频 信 号 的 最 高 频 率 111 ZTTT FHH 111 ZTTT FHH STT H1min 2111minmax 112111211 ZfKKZT KKZTSTf FFH 按 我 国 广 播 电 视 标 准 ， 取 K1 0.76， 幅 型 K=4/3，帧 频 fF 50HZ， 扫 描 行 数 Z=625。 视 频 信 号 的 最 低 频 率是 直 流 分 量 ， 光 电 转 换 后 产 生 的 视 频 信 号 的 带 宽 (11.10264228MHZ) 2） 采 用 隔 行 扫 描 方 式 帧 周 期 与 场 周 期 的 关 系 是 VFVF ffTT 21,2 21max 1141 ZfKKf V ZMHff 2.11max ZMHff 6.5max 2. 隔 行 扫 描 的 优 缺 点优 点 ： 既 保 证 了 图 像 的 清 晰 度 ， 又 压 缩 信 号 频 带 宽 度 。 缺 点 ：（ 1） 行 间 闪 烁 效 应 。（ 2） 由 于 系 统 的 不 稳 定 出 现 并 行 现 象 时 ， 两 场 光栅 不 能 均 匀 相 嵌 ， 垂 直 分 解 力 下 降 ， 图 像 清 晰 度下 降 。（ 3） 动 态 垂 直 分 解 力 降 低 ， 运 动 物 体 的 图 像 出 现左 右 “ 扭 动 ” 的 垂 直 边 沿 锯 齿 化 现 象 ， 图 像 边 缘闪 烁 。 （ 4） 隔 行 扫 描 产 生 的 视 频 信 号 对 于 压 缩 处 理 和 后期 视 频 制 作 带 来 了 困 难 。 2 5 视 频 信 号 与 电 视 图 像 的 基 本 参 数2 5 1 扫 描 参 数 幅 型 比 K 宽 /高 4/3， 2 1隔 行 扫 描 ； 帧 频 ， 帧 周 期 ； 场 频 ， 场 周 期 ； 帧 周 期 与 场 周 期 的 关 是 ； ZF Hf 25 msTF 40 ZV Hf 50 msTV 20 msT V 20FT VT VF TT 2 每 帧 扫 描 行 数 ： Z 625行 ， 每 帧 有 效 扫 描 行 数 ： 575行 ； 行 扫 描 周 期 ： TH=TZ/Z=40 ms/625=64 s， 行 频 ： fH=fZ Z=25 Hz 625=15 625 Hz。 2. 5 .2 清 晰 度 与 分 解 力 图 像 的 清 晰 度 人 眼 主 观 感 觉 到 的 图 像 细 节的 清 晰 程 度 。 图 像 的 分 解 力 电 视 系 统 分 解 象 素 的 能 力 。 1. 垂 直 分 解 力 M 电 视 系 统 沿 图 像 的 垂 直 方 向 上 能 分 解 的 象 素 数 。电 视 系 统 的 垂 直 分 解 力 决 定 于 图 像 的 每 帧 有 效 扫 描 行数 。 考 虑 图 像 的 边 缘 与 水 平 扫 描 线 不 可 能 完 全 重 合 需要 引 入 小 于 1的 克 尔 系 数 （ 取 值 为 0.76） ，对 于 逐 行 扫 描 的 情 况 ， ZKM 11 考 虑 隔 行 扫 描 电 视 系 统 的 由 于 并 行 现 象 ， 垂 直分 解 力 会 下 降 .引 入 隔 行 因 子 （ 取 值 0.60.7） , M的单 位 为 线 2. 水 平 分 解 力 N 电 视 系 统 沿 图 像 的 水 平 方 向 上 能 分 解 的 象 素 数 。电 视 系 统 的 水 平 分 解 力 主 要 与 视 频 信 号 带 宽 有 关 ，与 传 输 通 道 和 设 备 的 通 频 带 宽 有 关 ， 频 带 越 宽 ， 图像 的 水 平 分 解 力 越 高 。 一 般 取 图 像 的 水 平 分 解 力 与垂 直 分 解 力 相 当 。 ZKKM i 11iK iK ZKKKMN 11 3. 分 解 力 的 测 量 方 法 电 视 测 试 卡 测 试 方 法 ， 人 眼 测 试 、 示 波器 测 试 1 MHz相 当 80TVL 数 字 测 量 方 法 2. 5. 3 图 像 对 比 度 、 灰 度 1. 图 像 的 对 比 度 图 像 中 最 大 亮 度 ， 图 像 中 最 小 亮 度 ， 环 境 亮 度图 像 的 对 比 度 或 minLmaxL 0L minmaxLLc 0min 0max LL LLc 2. 电 视 图 像 的 灰 度 灰 度 图 像 从 亮 到 暗 之 间 的 亮 度 层 次 ， 用 灰度 等 级 表 示 。 图 像 中 能 分 辨 的 灰 度 等 级 越 多 ， 图 像 越 柔 和 ，逼 真 ； 反 之 赝 像 感 就 越 强 。 一 般 来 说 ， 图 像 的 对 比度 越 大 ， 图 像 的 灰 度 层 次 也 就 越 丰 富 。 由 人 眼 的 视 觉 特 性 可 知 ， 人 眼 对 亮 度 的 分 辨 级数 （ 灰 度 ） 受 到 对 比 度 灵 敏 度 阈 值 的 限 制 ， 以 此 可得 到 人 眼 可 以 分 辨 的 亮 度 层 次 。设 图 像 中 的 最 小 亮 度 为 Lmin=L1， 能 分 辨 的 第 二 级亮 度 L 2为 设 图 像 中 的 最 小 亮 度 为 Lmin=L1， 能 分 辨 的 第二 级 亮 度 L2为第 三 级 亮 度 为 第 n级 亮 度 Ln为 图 像 对 比 度 对 上 式 两 边 取 对 数 可 得 因 为 ， 1112 1 LLLL 122223 11 LLLLL maxmin111 11 LLLL nnn 1minmax 1 nLLc 1lnln1 cn1 ccn lg3.2ln1 上 式 表 明 ， 人 眼 能 分 辨 的 亮 度 层 次 与 对 比 度 灵 敏 度阈 值 有 关 ， 与 图 像 对 比 度 有 关 。 由 前 面 讨 论 可 知 ， 景 物 的 对 比 度 一 般 不 超 过 100（ 白 石 膏 与 黑 板 ） ， 要 不 失 真 地 传 输 景 物 的 图 像 ，就 要 求 显 示 的 图 像 对 比 度 也 应 为 100。 实 际 受 到 各 种条 件 限 制 ， 一 般 在 30 40。 若 取 、 c 40，计 算 出 。 数 字 图 像 的 量 化 精 度 问 题 。 数 字 图 像 量 化 只 需 6bit64灰 度 级 ， 考 虑 量化 噪 声 和 数 字 图 像 处 理 精 度 问 题 ， 采 用 8bit256灰 度 级 量 化 。 ccn lg3.2ln1 05.074n 2 6 1 视 频 图 像 信 号 1 图 像 信 号 （ 亮 度 信 号 ） ： 电 平 高 低 反 映 图 像 的亮 度 。 幅 度 70 。 灰 度 条 阶 梯 波白 黑L0 0 tE0 一 行 黑 白 全 电 视 信 号0.7V0.3V 峰 值 白 电 平 黑 电 平 （ 0 50mV） 消 隐 电 平 （ 0电 平 ） 行 同 步 信 号 THF THRTH0 tiH 2. 同 步 信 号 ： 作 用 ： 确 保 收 发 二 端 扫 描 同 步 。 方 法 ： 用 发 端 的 信 号 去 控 制 显 示 端 的 扫 描 电 流脉 冲 （ 磁 偏 转 ） 使 二 者 同 频 同 相 ； 幅 度 30 3. 消 隐 信 号 ： 作 用 ： 使 得 发 端 行 、 场 逆 程 期 间 不 传 图 像 信 号 ， 接 收 端 行 、 场 逆 程 期 间 不 产 生 回 扫 线 。 方 法 ： 使 逆 程 期 间 的 信 号 幅 度 为 0（ 黑 电 平 ） 。 n n 位 置 脉 冲 宽 度 幅 度 周 期n 行 消 隐 ： 行 逆 程 期 12s 0 64s n 行 同 步 ： 行 消 隐 期 4.7s 0.3 64sn 滞 后 行 消 隐n 前 沿 1.5s n 场 消 隐 : 场 逆 程 期 1.6ms 0 20ms n 场 同 步 ： 场 消 隐 期 160s 0.3 20msn 滞 后 场 消 隐n 前 沿 160s 一 行 黑 白 电 视 信 号 ： 图 像 信 号 消 隐 脉 冲 同 步 脉 冲采 用 时 分 混 合 方 法 可 以 合 成 在 一 起 ； 采 用 幅 度 分 离 的 方 法 可 以 方 便 地 分 离 图像 和 同 步 脉 冲 。 4 均 衡 脉 冲 和 开 槽 脉 冲 在 隔 行 扫 描 的 电 视 系 统 中 ， 将 一 幅 （ 一 帧 ） 图像 分 为 二 场 进 行 扫 描 。 如 一 行 黑 白 全 电 视 信 号 类似 ， 场 扫 描 也 分 成 场 正 程 和 场 逆 程 （ 场 消 隐 ） ， 在场 逆 程 期 间 行 同 步 信 号 不 能 丢 失 ， 另 外 还 需 均 衡 脉冲 和 开 槽 脉 冲 （ 其 作 用 后 面 讨 论 ） 这 样 构 成 场 电 视信 号 。 下 图 所 示 为 相 邻 两 场 黑 白 电 视 信 号 的 波 形 。 336 23.5 偶数场 奇数场 625 2 3 4 5624623622 1 23 24 前均衡脉冲 场消隐脉冲 (a) 场同步脉冲 后均衡脉冲奇 数 场 奇数场 偶数场 后均衡脉冲 310 312311 314 315 316 317 318 336 场消隐脉冲 前均衡脉冲 场同步脉冲 313 (b)偶 数 场 场 扫 描 控 制 电 子 束 在 垂 直 方 向 的 运 动 ， 在 场 正程 期 间 所 传 输 的 信 号 仍 然 是 行 扫 描 的 波 形 。 场 同 步 脉 冲 与 行 同 步 脉 冲 幅 度 相 同 ， 宽 度 不 一样 ， 电 路 根 据 脉 冲 宽 度 分 离 出 场 、 行 同 步 脉 冲 ； 确定 场 、 行 扫 描 的 起 始 时 间 。 场 同 步 脉 冲 宽 带 为 2.5H。 每 帧 图 像 扫 描 625H， 每 场 为 312.5H， 逆 程 时 间（ 消 隐 脉 冲 宽 度 ） 25H， 正 程 时 间 287.5H， 场 逆 程 期 间 行 同 步 信 号 仍 然 要 保 留 ， 场 消 隐 脉冲 宽 度 为 25H（ 严 格 地 说 是 25H 1个 行 消 隐 时间 ） 。 在 25H期 间 场 同 步 脉 冲 （ 开 槽 脉 冲 占2.5H） 后 均 衡 脉 冲 （ 占 2.5H） 行 同 步 脉 冲 前均 衡 脉 冲 （ 对 下 一 场 而 言 ， 占 2.5H） 第 1场 是 从 整 数 行 开 始 ， 半 行 结 束 ； 第 2场 是 从半 行 开 始 ， 整 数 行 结 束 。 开 槽 脉 冲 的 作 用 ： 在 场 逆 程 期 间 需 要 控 制 扫 描 电 子 束 继 续 进行 水 平 扫 描 ， 为 了 保 持 行 同 步 信 号 的 连 续 性 ，保 证 场 同 步 期 间 行 扫 描 的 稳 定 ， 在 场 同 步 信号 内 开 了 五 个 小 凹 槽 ， 叫 做 开 槽 脉 冲 。 脉 冲 宽 度 为 4.7 s， 脉 冲 间 隔 等 于 TH 2。 均 衡 脉 冲 的 作 用 ： 场 同 步 信 号 是 采 用 积 分 电 路 分 离 出 来 的 ， 相 邻 两 场的 开 始 扫 描 时 间 存 在 差 异 ， 前 面 已 经 提 到 ， 第 1场 是 从整 数 行 开 始 ， 半 行 结 束 ； 第 2场 是 从 半 行 开 始 ， 整 数 行结 束 。 这 样 积 分 的 起 始 电 平 不 一 致 ， 导 致 积 分 后 波 形 不一 样 ， 若 用 此 波 形 的 某 一 电 平 去 同 步 场 扫 描 电 路 ， 则 两场 的 同 步 会 出 现 时 间 误 差 ， 影 响 了 隔 行 扫 描 的 精 确 性 ，会 出 现 并 行 现 象 ， 丢 失 垂 直 方 向 的 细 节 信 息 ， 最 终 使 垂直 清 晰 度 下 降 。 为 了 保 证 隔 行 扫 描 的 准 确 性 ， 使 两 场 扫 描 线 均 匀相 嵌 ，在场同步脉冲前后各加5个窄脉冲，叫 做 均 衡 脉冲 。 其 宽 度 为 2.35 s， 其 周 期 等 于 T H 2 。 2 6 2 黑 白 图 像 信 号 的 频 谱 图 像 具 有 空 间 相 关 性 ， 相 邻 两 行 图 像内 容 和 相 邻 两 场 的 图 像 内 容 差 别 不 是 很 大 ，它 具 有 周 期 性 特 点 。 周 期 信 号 的 频 谱 是 离 散 的 。 是 以 行 频 及 其 各 次 谐 波 为 主 谱 线 ， 以 场频 及 其 谐 波 为 副 谱 线 且 位 于 主 谱 线 两 侧 的离 散 频 谱 结 构 。 f(n 3） fH (n 4） fH(n 2） fH(n 1） fHnfH nfHnfH 50 nfH 25 nfH 50nfH 25 分 析 视 频 图 像 信 号 频 谱 的 意 义 ： 以 上 对 视 频 图 像 的 频 谱 分 析 表 明 ， 视 频 信 号 的能 量 主 要 集 中 在 行 频 及 各 次 谐 波 附 近 ， 两 相 邻 谐 波之 间 有 较 大 的 空 隙 。 随 着 行 频 谐 波 次 数 的 增 加 ， 信号 能 量 逐 渐 减 小 。 这 些 频 谱 的 空 隙 在 同 时 制 彩 色 电视 中 用 来 传 输 彩 色 信 息 ， 这 就 是 频 谱 交 错 技 术 的 基础 。 作 业 ： P78 2.6 2.7 2 6 3 基 色 信 号 、 亮 度 信 号 与 色 差 信 号 1 . 基 色 信 号 R、 G、 B三 路 基 色 信 号 产 生 原 理 与 黑 白 视 频 信号 相 同 （ 光 /电 转 换 ） ， 其 时 域 波 形 与 黑 白 视 频信 号 类 似 ， 幅 度 取 决 于 景 物 的 三 色 分 量 。 在 彩 色 电 视 系 统 中 ， 如 果 传 输 三 路 基 色 信 号 所 需 通 道带 宽 将 是 传 送 黑 白 电 视 信 号 的 三 倍 ， 这 种 方 法 显 然 是 不合 理 的 。 要 实 现 兼 容 ， 彩 色 信 号 必 须 有 一 种 信 号 与 黑 白 电 视系 统 相 同 亮 度 信 号 ， 它 能 送 至 黑 白 电 视 机 显 示 黑 白 图 像 。 要 实 现 彩 色 与 黑 白 电 视 兼 容 ,彩 色 电 视 应 满 足 以下 基 本 条 件 : (1)所 传 送 的 电 视 信 号 中 应 有 亮 度 信 号 和 色 度 信号 两 部 分 。 (2)彩 色 电 视 信 号 通 道 的 频 率 特 性 应 与 黑 白 电 视通 道 频 率 特 性 基 本 一 致 ,而 且 应 该 有 相 同 的 频 带 宽度 、 图 像 载 频 和 伴 音 载 频 。 (3)彩 色 电 视 与 黑 白 电 视 应 有 相 同 的 扫 描 方 式 及扫 描 频 率 ,相 同 的 辅 助 信 号 及 参 数 。 (4)应 尽 可 能 地 减 小 黑 白 电 视 机 收 看 彩 色 节 目 时的 彩 色 干 扰 ,以 及 彩 色 电 视 中 色 度 信 号 对 亮 度 信 号 的干 扰 。 2 亮 度 信 号 根 据 前 面 讨 论 的 彩 色 合 成 原 理 ， 亮 度 信号 与 三 个 基 色 信 号 之 间 满 足 亮 度 方 程 Y=0.30R+0.59G+0.11B亮 度 信 号 的 频 谱 结 构 和 黑 白 视 频 信 号 的 频 谱结 构 相 同 ， 能 量 主 要 集 中 在 行 频 及 行 频 的 各次 谐 波 附 近 。 3 色 差 信 号 ： 为 了 传 输 色 度 信 号 ， 采 用 色 差 信 号 红 色 差 信 号 ： R Y=R (0.3R 0.59G 0.11B) =0.7R 0.59G 0.11B 兰 色 差 信 号 ： B Y=B (0.3R 0.59G 0.11B) = 0.3R 0.59G 0.89B 4.为 什 么 选 择 亮 度 Y和 色 差 R Y、 B Y： 为 了 兼 容 ， 彩 色 信 号 传 输 中 必 须 传 送 亮 度 信 号 。 传 输 黑 白 景 物 时 ， R=G=B R-Y=B-Y=0 对 亮 度 信 号 无 干 扰 。 在 R Y、 B Y、 G Y中 ， 绿 色 信 号 对 亮 度 贡 献 最 大 ，显 然 G Y最 小 ， 传 送 一 个 小 信 号 对 改 善 性 噪 比 不 利 ，选 择 传 输 R Y、 B Y两 个 色 差 信 号 。 在 接 收 端 由 R Y、 B Y恢 复 出 G Y Y=0.3R 0.59G 0.11B Y=0.3Y 0.59Y 0.11Y 两 式 相 减 可 得 0.3(R Y) 0.59(G Y) 0.11(B Y) 0 YBYRYBYRYG 19.051.059.011.059.0 3.0 2 6 4 标 准 彩 条 信 号 标 准 彩 条 信 号 是 一 种 常 用 的 测 试 信 号 ， 用 来对电 视 系 统 的 传 输 特 性 进 行 测 试 和 调 整 。 彩 条 信 号 发 生 器是 一 种 十 分 重 要 的 信号 源 ， 广 泛 用 于 视 频设 备 的 维 修 部 门 。 B0R0G0 tt 基 色 信 号 ： 亮 度 信 号 ： Y=0.3R+0.59G+0.11B Y 1 0.890.70.590.410.30.11 0 色 差 信 号 ：红 色 差 R-Y： R0 Y0 0.110.70.59 0.59 0.70.110 0 t 0.5 1.01.00.50 兰 色 差 B-Y：B0 Y0 0.3 0.89 0.89 0.590 0 1.0 0.3 0.59 t 0.5 1.00.50 B0 tR0G 0 tt 0 tY01.00.5 1.0 0.890.700.590.41 0.300.110R0 Y0 0.110.70.59 0.59 0.70.110 0 t 0.5 1.01.00.50 B0 Y0 0.30.89 0.89 0.590 0 1.0 0.3 0.59 t 0.51.00.50 作 业 ： P78 2.8 2.11