第三章電視傳像

3.1電視傳像基本原理

3.2電子掃描

3.3電視圖像的基本參量

3.4圖像信號(hào)數(shù)字化第三章電視傳像原理無線電視廣播系統(tǒng)原理無線電視廣播系統(tǒng)原理方框圖第三章電視傳像原理

電視傳送的主要信息是活動(dòng)圖像，其基本過程是在發(fā)送端把活動(dòng)景物的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成與它對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過加工、處理并進(jìn)行電傳輸（發(fā)射電磁波或用饋電線），在接收端再把收到的電信號(hào)逆變成原來景物的圖像。本章討論電視傳送系統(tǒng)中用到的光電、電光變換、電子掃描和圖像的數(shù)字化。第三章電視傳像原理3.1電視傳像基本原理一、像素的概念和順序傳像原理

1.像素：

像素就是組成圖像的元素，即基本單位。利用人眼分辨力有限的特性，將一幅電視圖像分解為許許多多個(gè)像素組成，電視系統(tǒng)能夠分解的像素?cái)?shù)越多，圖像就越清晰、細(xì)膩。對(duì)于活動(dòng)的電視圖像，每幅畫面上的亮度與色度都是（x，y，t）的函數(shù)，其中（x，y）代表各像素的幾何位置。第三章電視傳像原理

要嚴(yán)格的傳送在時(shí)間上和空間上都連續(xù)變化的平面活動(dòng)圖像信息是很困難的，但是可以利用人眼視覺特性，采用掃描方法，按時(shí)間順序逐一傳送空間分布的每一像素的亮度和色度，這樣就把空間坐標(biāo)（x，y）也轉(zhuǎn)換成時(shí)間t的函數(shù)了。采用逐點(diǎn)掃描以后，時(shí)間的先后就反應(yīng)不同的坐標(biāo)，所以在傳送過程中，必須由同步掃描來確保發(fā)送端與接收端坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能使被傳送的圖像不失真。2.順序傳像原理：同時(shí)傳像：每個(gè)像素要占用一個(gè)傳輸通道，技術(shù)上不可行。第三章電視傳像原理

順序傳像：圖像的順序傳送就是在發(fā)送端把被傳送圖像上各像素的亮度、色度按一定順序、逐一地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，并依次經(jīng)過一個(gè)通道，在接收端再按相同的順序，將各像素的電信號(hào)在電視機(jī)屏幕相應(yīng)位置上轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌炼取⑸鹊墓恻c(diǎn)。只要這種順序傳送的速度足夠快，那么由于人眼的視覺暫留和發(fā)光材料的余暉特性，就會(huì)感到整幅圖像在同時(shí)發(fā)光。這種順序傳送圖像像素的電視系統(tǒng)，就稱為順序傳送制。

要求：①傳送速度足夠快；②傳送準(zhǔn)確：收、發(fā)同步。第三章電視傳像原理第三章電視傳像原理

第三章電視傳像原理

二、光電轉(zhuǎn)換與電光轉(zhuǎn)換1.CCD攝像機(jī)與光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換過程也就是攝像過程，其工作原理與所使用的攝像材料有關(guān)。攝像材料可分為兩大類，即攝像管和CCD器件。

攝像管曾有過輝煌的歷史，但在二十世紀(jì)八十年代之后，以CCD為代表的攝像器件進(jìn)入實(shí)用階段，這種攝像器件無需電子束的掃描就能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，而且在體積、重量、功耗等性能方面都明顯優(yōu)于攝像管。目前，CCD攝像機(jī)已逐步取代了攝像管攝像機(jī)。下面我們介紹CCD的光電轉(zhuǎn)換原理。第三章電視傳像原理第三章電視傳像原理（1）CCD的電荷存儲(chǔ)功能

CCD（ChargeCoupledDevice）是電荷耦合器件的英文簡稱。CCD是一種MOS集成電路器件，其單元結(jié)構(gòu)如圖2-3

所示。在P型（或N型）半導(dǎo)體硅襯底上有一層很薄的二氧化硅絕緣層，絕緣層上按一定排列方式沉積了一組金屬鋁電極。

CCD器件具有電荷存儲(chǔ)功能。在外界光照射下，CCD中的硅襯底會(huì)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，這時(shí)若在鋁電極上加一個(gè)正電壓，它所形成的電場就會(huì)穿過二氧化硅層排斥硅襯底中的多數(shù)載流子（空穴），并吸引少數(shù)載流子（電子）。第三章電視傳像原理

于是，就在硅和二氧化硅的界面附近得到了一個(gè)存儲(chǔ)少數(shù)載流子（電子）的勢阱。鋁電極上的電壓越大，勢阱越深，可存儲(chǔ)的電荷量越多，這就是CCD器件的電荷存儲(chǔ)功能。圖2-3CCD單元的結(jié)構(gòu)及電荷存儲(chǔ)原理示意圖

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（2）信號(hào)電荷的注入

CCD感光面的光敏材料在受光照時(shí)激發(fā)出自由電子－空穴對(duì)，注入到P型襯底。其中，多數(shù)載流子空穴被排斥走，少數(shù)載流子電子被電場吸引到勢阱中，形成電荷包。電荷包中電荷的數(shù)量與該處的光照強(qiáng)度成正比，這樣就把景物的亮暗變成了電荷包中的電荷多少，完成了光像到電像的轉(zhuǎn)換。（3）CCD的電荷轉(zhuǎn)移功能

CCD器件的電荷轉(zhuǎn)移功能無需電視束掃描，而是在外加時(shí)鐘脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，利用勢阱中的電子有向勢阱深處移動(dòng)的特點(diǎn)完成的。第三章電視傳像原理圖2-4四相CCD電荷的轉(zhuǎn)移Φ1是2V，Φ2～Φ4是10V,所以Φ2～Φ4下面的勢阱很深，電荷存在里面。在圖2-4(b)中，Φ2由10V變?yōu)?V，Φ2下面的勢阱變淺，所有的電荷轉(zhuǎn)移到Φ3、Φ4下面的勢阱中，結(jié)果如圖2-4(c)所示。在圖2-4(d)中，Φ1由2V變?yōu)?0V，原來在Φ3、Φ4下面的勢阱中的電荷向右轉(zhuǎn)移分布到Φ3、Φ4、Φ1下面的勢阱中，結(jié)果如圖2-4(e)所示，這個(gè)過程使得Φ2～Φ4下面的勢阱中的電荷轉(zhuǎn)移到了Φ3、Φ4、Φ1下面的勢阱中。CCD中的電荷就這樣在四相時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下向前轉(zhuǎn)移。第三章電視傳像原理第三章電視傳像原理

2.顯像管與電光轉(zhuǎn)換

電光轉(zhuǎn)換過程也就是顯像過程，是在顯示裝置上完成的，目前用于電光轉(zhuǎn)換的顯示器件主要有CRT、LCD、PDP等幾種，本章介紹的CRT（Cathode-RayTubes，陰極射線管）是一種傳統(tǒng)的圖像顯示器件，它就是我們常說的顯像管。下面以黑白CRT顯像管為例，介紹其基本結(jié)構(gòu)和工作原理。（1）基本結(jié)構(gòu)：如圖2-5所示。管體——真空玻璃管；管內(nèi)——電子槍和熒光屏；電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、加速極、聚焦極、陽極等構(gòu)成。熒光屏的玻璃第三章電視傳像原理內(nèi)側(cè)涂有熒光粉，在電子的轟擊下能發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度與電子束能量成正比。管外——偏轉(zhuǎn)線圈，可提供偏轉(zhuǎn)磁場，使電子束實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的掃描。圖2-5黑白顯像管結(jié)構(gòu)示意圖第三章電視傳像原理

（2）工作原理：工作時(shí)，圖像信號(hào)加在顯像管的控制柵極和陰極之間，這時(shí)電子束將受到圖像信號(hào)的調(diào)制，即電子束的強(qiáng)弱將隨圖像信號(hào)的大小而變化。另一方面，在偏轉(zhuǎn)磁場的控制下，電子束將從按從左到右，從上到下的順序依此掃描整個(gè)熒光屏，而且掃描過程與攝像端完全同步。于是，對(duì)應(yīng)于某個(gè)特定時(shí)刻的圖像信號(hào)，電子束會(huì)撞擊在熒光屏的某個(gè)特定位置上，而且在這一位置上熒光粉的發(fā)光亮度也正比與此時(shí)此刻圖像信號(hào)的大小。這樣一來，就把不同時(shí)刻的圖像信號(hào)大小轉(zhuǎn)換成熒光屏上不同位置的亮度大小，在完成時(shí)間-空間轉(zhuǎn)換的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換過程，即將一幀時(shí)間域的圖像信號(hào)在屏幕上變成了一幅平面的光學(xué)圖像。第三章電視傳像原理

3.2電子掃描

在順序傳像系統(tǒng)中，構(gòu)成一幅畫面的所有像素在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、傳輸、以及電光轉(zhuǎn)換時(shí)都要按照一定的規(guī)律進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)這一規(guī)律的過程就稱為掃描。

電視系統(tǒng)中的掃描包含于兩個(gè)過程之中，即發(fā)送端光電轉(zhuǎn)換過程中的掃描和接收端電光轉(zhuǎn)換過程中的掃描。在這兩個(gè)過程中，掃描規(guī)律必須嚴(yán)格一致，即同步。同步有兩方面含義，一是同頻，即收發(fā)兩端的掃描速度相同；二是同相，即收發(fā)兩端的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系要一致。電視系統(tǒng)應(yīng)用的掃描是線性掃描，即掃描軌跡是直線型的，即對(duì)每一幅畫面來說，掃描自上而下一行一行進(jìn)行，每一行從左到右進(jìn)行。掃描完第一幅畫面之后再掃描第二幅，如此循環(huán)進(jìn)行。

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掃描過程的實(shí)現(xiàn)通常使用電子方法。在以前的攝像管攝像機(jī)中，掃描由電子束完成；另外，在CRT（陰極射線管）顯示器中，掃描也是靠電子束完成的。不過，在目前使用較多的CCD攝像機(jī)以及一些新型顯示裝置中，掃描過程已不再需要電子束的參與，而是靠脈沖電路的控制實(shí)現(xiàn)。一、電子束的偏轉(zhuǎn)

原理：當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈中通過電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場的方向決定于電流方向由右手定則判定；如果電子束穿過磁場，則在磁場里的作用下要發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)方向由左手定則判定。第三章電視傳像原理

因此，流過偏轉(zhuǎn)線圈中的電流的幅度和方向，決定了電子束偏轉(zhuǎn)角度的大小和方向。偏轉(zhuǎn)線圈：如圖2-6

所示。

行偏轉(zhuǎn)線圈：產(chǎn)生垂直方向磁場，使電子束水平偏轉(zhuǎn)。

場偏轉(zhuǎn)線圈：產(chǎn)生水平方向磁場，使電子束垂直偏轉(zhuǎn)。圖2-6偏轉(zhuǎn)線圈結(jié)構(gòu)第三章電視傳像原理

二、逐行掃描

以電子束掃描為例，當(dāng)線圈中分別流過如圖2-6

所示的行、場鋸齒波掃描電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的垂直方向與水平方向的偏轉(zhuǎn)磁場,在這兩個(gè)磁場的共同作用下,使電子束作水平與垂直方向的掃描運(yùn)動(dòng)。

圖2-6逐行掃描電流和光柵

(a)行掃描電流；(b)幀掃描電流；(c)掃描光柵第三章電視傳像原理

電子束掃描軌跡的集合稱為光柵。逐行掃描中，所有幀的光柵應(yīng)重合，因此要求幀掃描周期TZ為行掃描周期TH的整數(shù)倍。TZ=ZTH，Z為每幀的掃描行數(shù)。電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

行逆程系數(shù)

=THR/TH=18%

幀逆程系數(shù)

=TZR/TZ=8%

在行、幀逆程期間，應(yīng)利用消隱脈沖截止掃描電子束，使逆程掃描線消失，否則會(huì)降低圖像質(zhì)量。

水平方向的掃描為行掃描，垂直方向的掃描為幀掃描。在電視設(shè)備中，行掃描和幀掃描是同時(shí)進(jìn)行的，所以掃描線是向下傾斜的。第三章電視傳像原理第三章電視傳像原理第三章電視傳像原理

存在問題：為了使顯示端顯示的電視圖像沒有閃爍感，逐行掃描方式下電視圖像的傳送速率一般應(yīng)達(dá)到50幀/秒，即幀頻為50Hz；為了保證圖像清晰度，Z需要在600行左右，這樣一來，對(duì)傳輸通道的帶寬要求很高，同時(shí)也使電視設(shè)備復(fù)雜化，因此，為了在不增加圖像信號(hào)帶寬的情況下，有效克服閃爍現(xiàn)象，電視系統(tǒng)采用了隔行掃描方式。目前傳統(tǒng)的電視系統(tǒng)采用的都是隔行掃描方式。

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三、隔行掃描

所謂隔行掃描是指將一幀圖像分成兩場，第一場掃奇數(shù)行，第二場掃偶數(shù)行的掃描方式。第三章電視傳像原理

圖2-7隔行掃描示意圖

隔行掃描有幀、場之分。場掃描每垂直掃描一次，由規(guī)定的1/2掃描行組成的稱之為場，而幀是由規(guī)定的全部掃描行組成。每一幀的行數(shù)應(yīng)該是奇數(shù)。第三章電視傳像原理隔行掃描的優(yōu)缺點(diǎn)1）隔行掃描的優(yōu)點(diǎn)

可以保證在圖像分解力無甚下降和畫面無大面積閃爍的前提下，將圖象信號(hào)帶寬減小一半，或者說，在畫面無閃爍的前提下，對(duì)于給定的通道頻帶，隔行掃描能以更多的行數(shù)分解圖象。

2）隔行掃描的缺點(diǎn)行間閃爍效應(yīng)

靠近熒光屏觀看，能看到熒光屏上光柵線條，發(fā)現(xiàn)各掃描線是閃爍的。因?yàn)槊織l掃描線的重復(fù)頻率是25赫茲，低于臨界頻率。隔行比越大，行間閃爍效應(yīng)越明顯。并行現(xiàn)象表明奇偶兩場光柵的鑲嵌情況不理想。第三章電視傳像原理

它會(huì)使有效行數(shù)減少，影響圖象的分解力。垂直邊沿鋸齒化

當(dāng)物體沿水平方向運(yùn)動(dòng)速度足夠大時(shí)，圖像的垂直邊沿會(huì)產(chǎn)生鋸齒現(xiàn)象。第三章電視傳像原理掃描電流與重現(xiàn)圖像關(guān)系a)線性掃描，圖像無失真b)行掃描非線性失真，產(chǎn)生左伸、右縮的非線性失真c)場掃描非線性失真，產(chǎn)生上拉、下壓的非線性失真第三章電視傳像原理

3.3電視圖像的基本參量

我國電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

一幀掃描總行數(shù)為625行，其中，幀正程575行，幀逆程50行；

采用隔行掃描方式，每場掃描312.5行，場正程287.5行，場逆程25行；

場頻為50Hz，與電網(wǎng)頻率相同；

行頻為15625Hz，行周期為64

s，行正程時(shí)間為52

s，行逆程時(shí)間為12

s；

電視圖像的寬高比為4:3。垂直分解力M=k1(1-

)Z，取k1=0.75,M431行。水平分解力N=KM，K為電視圖像的寬高比。第三章電視傳像原理

一、圖像的寬高比

根據(jù)人眼的視覺特性，視覺最清楚的范圍是垂直視角為15°，水平視角為20°的一個(gè)矩形視野，因而電視接收機(jī)的屏幕通常為矩形，矩形畫面的寬高比為4∶3。矩形屏幕的大小用對(duì)角線長度表示，并習(xí)慣用英寸作單位，一般電視機(jī)的35cm（14英寸）、51cm（20英寸）、74cm（29英寸）等都是指屏幕對(duì)角線長度。為增強(qiáng)臨場感與真實(shí)感，還可加大幅型比，例如，高清晰度電視或大屏幕高質(zhì)量電視要求水平視角加大，觀看距離約為屏高的三倍，寬高比定為16∶9。第三章電視傳像原理

二、場頻

選擇場掃描頻率主要應(yīng)考慮不能出現(xiàn)光柵閃爍。為了不引起人眼的閃爍感覺，場頻應(yīng)高于48Hz。隨著場頻的提高，圖像信號(hào)的頻帶也將相應(yīng)增加，二者必須兼顧。場頻的選擇還要考慮交流電源對(duì)電視圖像的影響。電視接收機(jī)電源濾波不良或因雜散電源磁場的影響，交流電源干擾混入視頻信號(hào)中，當(dāng)電源頻率與場頻不同時(shí)，干擾圖形將是移動(dòng)的，以兩個(gè)頻率的差頻向上或向下滾動(dòng)，俗稱“滾道”；當(dāng)電源頻率與場頻相同并與電源同步時(shí)，這些干擾在圖像上是固定不動(dòng)的，只要不太大，眼睛是感覺不出來的。

第三章電視傳像原理

交流電源干擾若加在行鋸齒波上，會(huì)造成光柵扭曲。當(dāng)場頻與電源頻率不同時(shí)，光柵不但扭曲而且擺動(dòng)。因此在制定電視標(biāo)準(zhǔn)時(shí)都規(guī)定場頻與本國的電網(wǎng)頻率相同。在我國電視標(biāo)準(zhǔn)中，場頻選為50Hz。隨著新型熒光粉的出現(xiàn)，電視屏幕亮度不斷提高，一些高亮度的畫面常會(huì)引起閃爍感覺，而現(xiàn)代接收機(jī)生產(chǎn)工藝水平已能消除電源干擾，所以將來會(huì)采用比50Hz更高的場頻。

第三章電視傳像原理三、行數(shù)由分辨力公式式中，L表示眼睛與圖像之間的距離，d表示能分辨的兩點(diǎn)間最小距離，對(duì)于正常視力的人，在中等亮度情況下觀看靜止圖像時(shí)，θ為1～1.5′。設(shè)Z為每幀掃描行數(shù)，h為屏幕高度，則有，代入上式得。取標(biāo)準(zhǔn)視距L為屏幕高度h的4～6倍，并取θ為1′時(shí)，則可算得應(yīng)該取的掃描行數(shù)在860～570行之間。目前世界上采用的標(biāo)準(zhǔn)掃描行數(shù)有625行和525行，我國采用625行。第三章電視傳像原理

在20世紀(jì)50年代，電視機(jī)以12英寸和14英寸為主,所以行數(shù)選擇了625行。隨著大屏幕電視的發(fā)展，625行的標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低，在高清晰度電視中，為了獲得臨場感和真實(shí)感，掃描行數(shù)已增加到1200行以上。

第三章電視傳像原理四、系統(tǒng)分解力與圖像清晰度

電視系統(tǒng)傳輸圖像的質(zhì)量與系統(tǒng)分解力有關(guān),所謂分解力是指電視系統(tǒng)傳送圖像細(xì)節(jié)的能力。而圖像清晰度是觀察者主觀感覺到圖像細(xì)節(jié)清晰的程度。分解力與清晰度二者是緊密相關(guān)的,是從主、客觀兩個(gè)方面對(duì)同一個(gè)問題的闡述和評(píng)價(jià)。

第三章電視傳像原理1.垂直分解力

圖像垂直分解力取決于系統(tǒng)沿垂直方向所能分解黑白相間的條紋數(shù),它受掃描正程行數(shù)Z′的限制。

圖2-9垂直分解力與掃描的關(guān)系(a)原圖像;(b)經(jīng)攝制傳輸最終顯示圖像第三章電視傳像原理

實(shí)際上,這種黑白相間的、整齊排列的圖像是罕見的,一般圖像內(nèi)容都具有隨機(jī)性,從平均的角度看,垂直分解力介于正程的掃描行數(shù)Z′和一半有效行數(shù)之間,如果垂直分解力以M表示時(shí),則

M=k1(1-

)Z

式中,k1是一個(gè)小于1的系數(shù),我國電視系統(tǒng)常取K=0.75。將我國的電視參數(shù)Z=625代入上式,可求得

M=0.75×575=431第三章電視傳像原理

2.水平分解力圖2-10(a)是一幅由許多黑白相間的條紋所組成的圖像,與之對(duì)應(yīng)的電視圖像信號(hào)將是圖(b)所示的許多矩形脈沖波。圖(b）的波形是在電子束截面積很小,相對(duì)于圖像細(xì)節(jié)變化可以忽略不計(jì)時(shí),才會(huì)得到的波形。圖(c）的波形是在電子束截面積與條紋寬度可比擬的情況，圖像信號(hào)將變成正弦波，幅度也將減小。當(dāng)電子束截面積比條紋寬度小得多時(shí)，幅度將明顯減小，造成重現(xiàn)圖像邊沿模糊，細(xì)節(jié)不清，水平分解力下降。這種分解力受電子束直徑大小限制的現(xiàn)象，稱為孔闌效應(yīng)。第三章電視傳像原理

實(shí)踐證明,水平分解力與垂直分解力相當(dāng)時(shí),系統(tǒng)傳輸?shù)膱D像質(zhì)量最佳?？紤]到電視圖像的寬高比（4/3或16/9),則水平分解力N為N=KM,K為電視圖像的寬高比。當(dāng)然,要求電視信道的帶寬必須適應(yīng)N的要求。

圖2―10垂直條紋及相應(yīng)信號(hào)波形(a)垂直條紋圖像;(b)電子束截面積相對(duì)可忽略的情況;(c)電子束截面積與條紋寬度可比擬的情況第三章電視傳像原理

3.4圖像信號(hào)數(shù)字化

圖像數(shù)字化是進(jìn)行數(shù)字圖像處理的前提。

圖像數(shù)字化必須以圖像的電子化作為基礎(chǔ)，把模擬圖像轉(zhuǎn)變成電子信號(hào),隨后才將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)。

數(shù)字通信優(yōu)點(diǎn)：

1.