教學(xué)目標(biāo)

了解光和色的基本知識，理解彩色三要素和色度的概念。

掌握三基色原理、混色法和人眼的視覺特性。理解亮度信號和色差信號的概念及形成過程。掌握NTSC制的編碼過程和PAL制編碼的特點。

掌握掌握集成彩色電視機的基本組成。

1.1光和色由光學(xué)理論知道，光是一種以電磁波形式存在的物質(zhì)，它的波長范圍大約在380～780nm（1nm＝10-9m）之間。由于這段電磁波的輻射能為人眼看得見，所以稱為可見光，習(xí)慣上簡稱為光。人眼對不同波長的光引起不同的顏色感覺，例如，波長為400nm左右和波長為700nm左右的光，給人以紫和紅的感覺。在可見光的范圍內(nèi)，按波長的依次遞減，相應(yīng)顏色排列為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，把這些色光混合在一起就得到白光。1光和色的基本知識圖1電磁波譜把一束光（太陽光）斜射到玻璃棱鏡上，通過棱鏡折射后，可將其分解為波長由長到短排列的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色彩帶，如圖2所示。這種現(xiàn)象也表明了白光不是單色光，而是由七色光合成的。圖2太陽光的分解2彩色三要素

亮度、色調(diào)和色飽和度稱為彩色三要素。任何一種彩色對人眼引起的視覺作用，都可以用彩色三要素來描述。

1)亮度:亮度是指人眼所感覺的彩色的明暗程度，亮度取決于光線的強弱。另外，亮度與波長的長短有關(guān)，強度相同但波長不同的光給人眼的亮度感覺也是不同的，生活中觀察15W的綠色燈泡發(fā)出的光比15W的紅色燈泡亮，15W的紅色燈泡比15W的藍色燈泡亮，就是這個道理。

2)色調(diào):色調(diào)是指彩色的顏色類別，如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別表示不同的色調(diào)。色調(diào)取決于彩色的光譜成分，不同波長的光具有不同的色調(diào)。

3)色飽和度:色飽和度是指彩色的深淺程度。同一色調(diào)的彩色，其色飽和度越高，顏色越深。色飽和度與彩色中所摻入的白光比例有關(guān)，摻入的白光越多，色光越淺，色飽和度越低。色飽和度用百分?jǐn)?shù)表示，如某色光中若摻入一半的白光，則色飽和度為50%，未摻入白光的純色光，其色飽和度為100%。白光的色飽和度為0。色調(diào)和色飽和度統(tǒng)稱為色度。彩色電視系統(tǒng)不僅像黑白電視系統(tǒng)那樣能夠傳送景物的亮度信息，還要傳送景物的色度信息。1.2三基色原理和混色法

1.2.l三基色原理

實驗證明，將紅、綠、藍三種色光投射到一個白色的屏幕上，調(diào)節(jié)三種色光的不同比例，幾乎可以混合出自然界所有的彩色。用來混色的三種單色光稱為基色。用三基色可以混合成其他彩色的原理稱三基色原理。在電視技術(shù)中，以紅（R）、綠（G）、藍(B)為三基色，紅光的波長取700nm，綠光的波長取546.1nm，藍光的波長取435.8nm。1.2三基色原理和混色法

三基色原理的主要內(nèi)容有：

1)自然界的所有彩色幾乎都可用三種基色按一定的比例混合而成；反之，任何彩色也可分解為比例不同的三種基色；

2)三種基色必須是相互獨立的，即任一基色不能由另外兩種基色混合而成；

3)用三基色混合成的彩色，其色調(diào)和色飽和度皆由三基色的比例決定；

4)混合色的亮度等于參與混色的基色的亮度的總和。1.2.2混色法

彩色電視重現(xiàn)景物的彩色，通常是靠彩色顯像管熒光屏上的三種熒光粉在電子束轟擊下發(fā)出各自的基色光而完成的，即它們分別發(fā)出紅、綠、藍三種基色光，并混合成彩色圖像，這三種基色稱為顯像三基色。

利用三基色按不同的比例混合來獲得彩色的方法稱為混色法。彩色顯像管之所以能夠顯示出各種各樣的豐富多彩的彩色是利用了三基色的混色原理。彩色顯像管中的熒光粉粒本身是發(fā)光體，它的混色規(guī)律是遵從相加混色法，即以彩色光的互相疊加來實現(xiàn)混色產(chǎn)生另一種新的彩色光。相加混色法的混色規(guī)律可用圖3表示，由圖可見，以等量的紅、綠、藍三基色光進行相加混色效果如下：紅色十綠色=黃色；綠色十藍色=青色；藍色十紅色=紫色；紅色十綠色十藍色=白色。1.2.2混色法圖3相加混色1.2.3人眼的視覺特性

1.視覺靈敏度人眼在明亮的環(huán)境下，不但可以看清物體的形狀，而且還能辨別物體的顏色。在昏暗的環(huán)境下卻只能分辨物體的形狀、輪廓而不能分辨物體的顏色。這是由于在人眼視網(wǎng)膜上有兩種不同的光敏細胞：桿狀細胞和錐狀細胞。桿狀細胞感光靈敏度較高，在光線較暗的條件下起作用，可以識別物體的形狀和輪廓，但無法清楚地識別物體顏色。另一種稱為錐狀細胞，它們的感光靈敏度較低，只有在光線明亮的條件下才起作用，但它們具有辨別顏色的能力。根據(jù)實驗證明：錐狀細胞有三種，分別對紅、綠、藍三種波長的光敏感。

實驗還證實當(dāng)三種色覺細胞同時接受紅、綠、藍三種光激發(fā)時，人將產(chǎn)生白色的色覺，即人眼的三種細胞也有混色效應(yīng)，也就是所謂的生理相加混色法。改變?nèi)N基色的強度，混色結(jié)果的明亮程度將發(fā)生變化，實驗還得到如下結(jié)論：用強度相同的紅、綠、藍基色光混色產(chǎn)生100%的白光時,綠光(G)產(chǎn)生的強度占59%，紅光(R)產(chǎn)生的強度占30%，藍光(B)產(chǎn)生的光強度占11%，用數(shù)學(xué)公式可表示為

Y＝0.30R＋0.59G＋0.11B根據(jù)以上分析可以得到兩條重要的結(jié)論：一是復(fù)合光的亮度等于各光分量的亮度之和，二是人眼所看到的彩色光是不同光譜成份作用于眼睛的綜合效果，不同波長的光會引起不同的彩色感覺，幾種不同波長光譜成份的光混合后，可以得到與某一單一波長的光相同的彩色感覺。也就是說，眼睛只能有彩色的感覺，而不能區(qū)別刺激它的光譜成份。這樣在彩色電視傳送與重現(xiàn)彩色時，只要求重現(xiàn)原景物的彩色感，不要求恢復(fù)原來的光譜。并不必考慮所重現(xiàn)的彩色光譜成份與原景物彩色的光譜成份是否相同。

眼睛的這兩點辨色特性很重要，第一點說明制作彩色電視時要有足夠的亮度，第二點說明彩色圖像細節(jié)傳送與否影響不大。彩色電視機是為人類服務(wù)的。因此，人眼的視覺特性是決定彩色電視機的基本組成的關(guān)鍵。在黑白電視理論中，基于人眼對黑白圖像(即亮度)的分辨能力，確定了電視機水平與垂直分辨力的標(biāo)準(zhǔn)，將視頻信號的帶寬確定為6MHz。

由于人眼的辨色能力差，因此，相對亮度信號來說，傳送彩色信號時，對清晰度要求較低。當(dāng)傳送的彩色信號頻率較高(大于1.5MHz)，彩色電視接收機熒光屏上重現(xiàn)的色點直徑很小時，人眼已不能分辨其是否有彩色。

人眼的這一特性使彩色電視技術(shù)把彩色信息的傳送壓縮到0～1.5MHz的范圍以內(nèi)，因此對所需電視技術(shù)要求相對降低了許多。若用1MHz的頻帶寬度傳送色度信號，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明有88%正常視力的人對其圖像已認(rèn)為滿意，這就是說他們感覺不出其與實際圖像色彩有什么區(qū)別；而當(dāng)用1.3MHz頻帶寬度傳送時，幾乎所有參加評審的人對呈現(xiàn)的畫面色彩都感到滿意。試驗結(jié)果表明：傳送色度信號的頻帶寬度只需1.3MHz就能滿足人們收視彩色電視的要求。兼容制的要求所謂“兼容”就是彩色電視廣播信號在采取一定的技術(shù)措施后，可以在黑白電視廣播的原有頻道內(nèi)進行傳送，使原來的黑白電視接收機也可以接收彩色電視廣播信號，而彩色電視接收機也能接收黑白電視廣播信號。我國現(xiàn)行的彩色電視廣播是采用與黑白電視廣播兼容的PAL制。為了實現(xiàn)兼容，電視臺發(fā)出的彩色全電視信號應(yīng)具備以下特點：

1)既含有色差信號也含有亮度信號，色差信號代表彩色圖像信號，亮度信號代表黑白圖像信號。

2)和黑白電視信號共用同一頻道時，頻帶寬度、圖像載頻和伴音載頻沿用黑白電視制式的規(guī)定。

3)行、場同步信號和掃描制式與黑白電視制式相同。

2.色差信號在彩色電視中色差信號有下列三種，即UR-Y＝UR－UY＝0.70UR－0.59UG－0.11UBUB-Y=UB－UY＝0.89UB－0.30UR－0.59UGUG-Y=UG－UY＝0.41UG－0.30UR－0.11UB

當(dāng)傳送黑白信號時，UR＝UG＝UB，則上述三個色差信號都為零，即在傳送黑白信號時不存在色度信號對亮度信號的干擾，這就是用色差信號傳送圖像彩色信息的優(yōu)點三個色差信號不是完全獨立的，每個色差信號可以由另外兩個色差信號求得。根據(jù)亮度方程，可以求出三個色差信號之間的關(guān)系。UG-Y==－0.51UR-Y

－0.19UB-Y(2-6)UR-Y=－1.97UB-Y－0.37UG-Y

（2-7）UB-Y=2.70UR-Y

－5.36UG-Y

（2-8）上述論證表明任何兩個色差信號通過矩陣變換可以得到第三個色差信號，所以電視圖像的色彩只要傳送兩個色差信號就行了。彩色電視制式都選擇UR-Y和UB-Y來傳送圖像的彩色信息。圖4三基色還原電路

彩色電視信號的編碼過程

為了實現(xiàn)兼容的要求，彩色電視臺既要傳送亮度信號，也要傳送色度信號，而占有的帶寬又不能超過黑白電視所規(guī)定的帶寬，這就需要對這幾種信號進行特殊的組合處理，這個過程稱之為編碼。目前，世界上現(xiàn)存三大彩色電視編碼制式:NTSC制、PAL制和SECAM制。

1.亮度信號的頻譜亮度信號的頻寬為6MHz，但它并沒有布滿，而是留有許多空隙。當(dāng)傳送圖5a所示的在垂直方向黑白相間的圖像時，它的信號波形為矩形脈沖波。矩形脈沖波可用頻率等于它的1，3，5，…奇次倍的正弦波來合成，這些正弦波稱為諧波，如圖5b所示，圖b中的點劃線和虛線表示一次諧波（基波）和三次諧波。也即是說，矩形脈沖波含有1，3，5，…等奇次諧波，它的頻譜（即信號的能量按頻率分布的圖線）如圖c所示。圖5矩形脈沖波的頻譜

a)垂直方向黑白相間的圖像b)基波與諧波合成矩形波

c)矩形脈沖波的頻譜圖6是復(fù)雜的活動圖像的頻譜，它是以行頻和它的高次諧波為主譜線、幀頻及其高次諧波對稱地分布在它的兩側(cè)的離散頻譜群。由于高次諧波很快衰減，故其能量集中在主譜線附近很窄的頻帶內(nèi)。由圖可見，在主譜線之間存在大量空隙。如靜止的或動作緩慢的圖像，空隙為主譜線間距的93.6%。對于活動的圖像，空隙小些，也占60%～70%。圖6活動圖像的頻譜

2.頻譜間置原理既然亮度信號的主譜線之間存在大量間隙，就可以把色度信號插到其間來傳播。彩色電視系統(tǒng)需對色度信號進行調(diào)幅處理。既是調(diào)幅，就要選擇一個載波，為了避免與高頻發(fā)射時的載波相混淆，這個載波稱為色副載波fSC。色副載波要求選在1/2行頻處，但選在視頻頻帶的低端，會使副載波形成的亮點干擾明顯。因此選在高端的283fH與284fH之間，即283.5fH，由此得出副載波的頻率為fSC=(283.5×15625)MHz=4429687.5Hz≈4.43MHz色度信號對fSC進行調(diào)幅，形成的調(diào)幅波主頻譜為fSC

＋fH與fSC－fH，其高次諧波為fSC±2fH

，fSC±3fH等，頻譜結(jié)構(gòu)如圖7c所示。把亮度信號和色度信號相加，色度信號剛好嵌置于亮度信號之間的空隙中，如圖7d所示，這就是頻譜間置原理。

a)亮度信號的頻譜

b)色度信號的頻譜

c)已調(diào)色度信號的頻譜

d)彩色全電視信號的頻譜色度信號的副載波選在4.43MHz，比視頻頻帶的上限6MHz低1.57MHz。人眼對色彩的分辨力遠低于對黑白物體的分辨力，其帶寬一般取1.3MHz，這樣色度信號的上限頻率為(4.43＋1.3)MHz=5.73MHz，未超過亮度信號的上限頻率6MHz。由于色度信號對fSC進行調(diào)幅，調(diào)幅后的色度信號帶寬為±1.3MHz。色度信號的副載波選在4.43MHz，比視頻頻帶的上限6MHz低1.57MHz。人眼對色彩的分辨力遠低于對黑白物體的分辨力，其帶寬一般取1.3MHz，這樣色度信號的上限頻率為(4.43＋1.3)MHz=5.73MHz，未超過亮度信號的上限頻率6MHz。由于色度信號對fSC進行調(diào)幅，調(diào)幅后的色度信號帶寬為±1.3MHz。

3.平衡調(diào)幅為了提高調(diào)制效率和調(diào)幅波的信噪比，色度信號對副載波調(diào)制過程中是將副載波抑制掉，單輸出上邊頻和下邊頻，這種調(diào)制方式稱為平衡調(diào)幅，產(chǎn)生平衡調(diào)幅波的電路稱為平衡調(diào)幅器。將調(diào)制信號UB-Y和色副載波信號sinωSCt輸入到平衡調(diào)幅器，在輸出端就輸出平衡調(diào)幅信號

UB-YsinωSCt。其輸出信號為兩輸入信號的乘積。故平衡調(diào)幅器是一個乘法器，其原理框圖如圖8所示。

4.正交平衡調(diào)幅制（NTSC制）

(1)正交平衡調(diào)幅色度信號有兩個：UR-Y和UB-Y。為了不使兩色度信號互相干擾而又不增加副載波，可將兩色差信號分別調(diào)制在頻率相同、相位相差90o的兩個副載波上，再將兩個平衡調(diào)幅信號相加輸出，這就完整地解決了色度信號的編碼問題，這種制式稱為正交平衡調(diào)幅制，即NTSC制。正交平衡調(diào)幅原理框圖如圖8a所示。

圖8正交平衡調(diào)幅

a)原理框圖b)色度信號的矢量圖PAL制的編碼過程所謂編碼，就是把三基色電信號R、G、B編制成彩色全電視信號的過程，編碼器就是用來編碼的電路。

PAL制編碼器的組成如圖9所示，基本上與NTSC制編碼器相同，只是多了一個PAL開關(guān)，它把加于V平衡調(diào)幅器的色副載波逐行倒相。其編碼過程簡述如下：

圖9PAL制編碼器原理

4.色同步信號在傳輸彩色信號時，由于對V、U信號進行平衡調(diào)幅，抑制掉了色副載波分量，因而在接收機必