第2章顯示技術基礎2.1光度學基礎2.2人眼視覺特性2.3色度學基礎2.4圖像的分解、傳送和合成2.5圖像顯示的基本參量2.6視頻信號習題2

2.1光度學基礎

2.1.1光的性質光是一種電磁輻射。電磁輻射的波長范圍很寬,按波長從長到短的順序排列,依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和宇宙射線等。圖2－1是電磁波按波長的順序排列的電磁波譜。其中波長為380~780nm(納米)的電磁波才能被人感知,并給人以白光的綜合感覺。圖2－1電磁輻射波譜

1.電磁輻射波譜

由圖2－1可以看出,不同波長的光所呈現的顏色各不相同,隨著波長的縮短,呈現的顏色依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。只含單一波長成分的光稱為單色光;包含兩種或兩種以上波長成分的光稱為復合光。復合光給人眼的刺激呈現為混合色。太陽光就是一種復合光。

2.可見光的色散

復合光分解為單色光的現象叫光的色散。中國古代對光的色散現象的認識起源于對自然色散現象———虹的認識。虹,是太陽光沿著一定角度照到空氣中的水滴上所引起的比較復雜的由折射和反射造成的一種色散現象。光的色散可以用三棱鏡、光柵干涉儀等來實現。牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶(光譜),如圖

2－2所示。色散現象說明光在媒質中的速度(或折射率)隨光的頻率而變,同時也證明了太陽光是一種復合光。圖2－2白光經過三棱鏡后的色散現象

3.物體的顏色

物體分為發光體和不發光體。發光體的顏色由它本身發出的光譜所確定,如白熾燈發黃光,熒光燈發白光,它們各自有其特定的光譜。一般說來,某一物體的彩色是該物體在特定光源照射下所反射(或透射)的一定的可見光譜成分作用于人眼而引起的視覺效果。例如,紅旗反射太陽光中的紅色光、吸收其他顏色的光而呈紅色;綠葉反射綠色的光、吸收其他顏色的光而呈綠色;白紙反射全部太陽光而呈白色;黑板能吸收全部太陽光而呈黑色。綠樹葉拿到暗室的紅光源下觀察則成了黑色,這是因為紅光源中沒有綠光成分,樹葉吸收了全部紅光而呈黑色。

另外,彩色感覺既決定于人眼對可見光譜中的不同成分有不同視覺效果的功能,同時又決定于光源所含有的光譜成分以及物體反射(或透射)和吸收其中某些成分的特性。所以,對于同一物體在不同光源照射下,人眼感覺到的顏色也有所不同。

4.標準白光源

標準光源是指模擬各種環境光線下的人造光源,讓生產工廠或實驗室非現場也能獲得與這些特定環境下的光源基本一致的照明效果。國際照明委員會(CIE)于1931年推薦了

A、B、C和E四種標準光源。以下是幾種常見的標準白光源的特點:

(1)A光源(色溫2854K):為鎢絲燈額定光譜,其光色偏黃。

(2)B光源(色溫4874K):近似為中午太陽光的光譜。

(3)C光源(色溫6774K):相當于白天多云天氣的自然光。

(4)E光源(色溫5500K):色度學中采用的一種假想的等能白光(E白),就是當可見光譜范圍內的所有波長的光都具有相等輻射功率時所形成的一種白光。E光源無法直接產

生,實際上也并不存在,采用它純粹是為了簡化色度學中的計算。

(5)D65光源(色溫6504K):C光源曾經被規定為彩色電視(NTSC)的標準光源,但是在1965年,國際上改用D光源為彩色電視(PAL)的標準光源,因為D光源的光譜更接近于人們生活中所習慣的平均白晝照明。

5.絕對黑體與色溫

在顯示系統中,通常用標準白光源作為照明光源。為了便于對標準白光源進行比較和計算,可用絕對黑體的輻射溫度(開氏度,K)———色溫來表示標準光源的光譜分布和色度特性。這種方法非常有利于工程技術,是一種既簡單又準確的方法。

絕對黑體也稱全輻射體,是指既不反射也不透射,而完全吸收入射輻射的物體。它對所有波長輻射光的吸收系數均為100%,反射系數均為零。嚴格說來,絕對黑體在自然界是不存在的,其實驗模型是一個中空的、內壁涂黑的球體,在其上面開了一個小孔,進入小孔的光輻射經內壁多次反射、吸收,已經不能再逸出外面,這個小孔的內部球體就相當于絕對黑體。設法對絕對黑體的腔體內加熱,則絕對黑體將從小孔輻射出光線,其光譜分布是連續的,并與絕對黑體溫度有著單一的對應關系。

色溫(ColorTemperature)是表示光源光色的一種尺度,單位為K(開爾文)。色溫在攝影、圖像顯示、出版等領域有著極其重要的應用。光源的色溫是這樣定義的:如果一種光源的光譜分布與絕對黑體在某一溫度下的光譜分布相同或者相近,并且二者的色度相同,那么絕對黑體的溫度(K)就稱為該光源的色溫。例如,A光源的色溫是2854K,就是說它的光譜分布與黑體加熱到2854K時的輻射光譜分布相近,而且二者的色度相同。

色溫與光源的實際溫度無關。下面是有關色溫的兩個例子。

例1一個鎢絲燈泡在額定功率下所發出的白光,與溫度保持為2854K的絕對黑體所輻射的白光完全相同,于是就稱該(燈泡的)白光的色溫為2854K。

例2某CRT顯示屏表面的實際溫度為300K(室溫)左右,而其顯示的白場色溫則為6504K。

值得強調的是:色溫并非光源本身的實際溫度,而是用來表征其光譜特性的參量。

2.1.2光的度量

1.光譜光效率曲線

人眼對不同色光感覺不一樣,可用光譜光效率函數來表征,并用光譜光效率曲線(又稱為相對視敏度曲線)來表示。所謂光譜光效率函數就是達到同樣亮度時,不同波長所需能量的倒數,即

式中:V(λ)為光譜光效率函數值,E(λ)為單色光能量。

經過對各種類型人的實驗進行統計,國際照明委員會(CIE)推薦的光譜光效率曲線如圖2－3所示。它是以許多正常觀察者進行測試所取得的統計平均值為依據的。圖2－3中曲線表明具有相等輻射能量、不同波長的光作用于人眼時,引起的亮度感覺是不一樣的。圖2－3光譜光效率曲線

2.光的度量單位

1)光通量

光通量是按人眼的光感覺來度量的輻射功率,用符號φ表示。其單位名稱為流明,符號為lm。當λ=555nm的單色光輻射功率為1W時,其產生的光通量就為683lm,或稱1光瓦。在其他波長時,由于相對視敏度V(λ)下降,相同輻射功率所產生的光通量隨之下降。

例如,40W的鎢絲燈泡輸出的光通量為468lm,其發光效率為11.7lm/W;而40W的日光燈可以輸出2100lm的光通量,發光效率為52.5lm/W;電視演播室鹵鎢燈的發光效率可達100lm/W以上。

2)光照度

光通量與被照射表面面積之比稱為光照度,用符號E表示,其單位名稱為勒克斯,符號為lx。1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布在1平方米面積上的光照度。為了對光照

度單位勒克斯有個大概的印象,列出下列數據供參考:室外晴天的光照度約為104lx,室外陰天的光照度約為102lx,月光下的約為10-1lx,黑夜下的約為10-4lx。

2.2人眼視覺特性

2.2.1人眼的視覺生理基礎人們的視覺感受是由于光的刺激而引起的,而產生視覺的生理基礎則是人的眼睛。人的眼睛是經過長期進化而形成的一個復雜的、功能強大的視覺感受器。它是一個前極稍微凸出,前后直徑約為25mm,橫向直徑約為20mm的近似球體。人眼的結構可類比為一臺精巧完美的光學照相機,由晶狀體、虹膜和視網膜等組成。人的眼睛與照相機的比較見表2－1。

2.2.2視覺的時間特性和空間特性

1.視覺的時間特性

人眼在觀察景物時,光信號傳入大腦神經,需經過一段短暫的時間,光的作用結束后,視覺形象并不立即消失,這種殘留的視覺現象被稱為“視覺暫留”。

1)視覺適應能力

人眼對亮度的適應范圍大約是一千萬比一。之所以有這樣大的適應性,除了瞳孔的調節作用之外,主要是視覺細胞的調節作用。

人的眼睛看物體感到亮與不亮,這就是主觀亮度。這個主觀亮度與觀察者的生理和心理特性直接相關。此外,在客觀上也決定于眼睛視網膜上所接收到的光的照度。

暗適應是人眼對光的敏感度在暗光處逐漸提高的過程。當人從明亮的環境進入黑暗的環境時,瞳孔的直徑會由小變大,使進入眼球的光線增加,以適應黑暗的環境。但這個適

應范圍是很有限的,因此瞳孔的變化并不是暗適應的主要生理機制,而只是在明亮環境下調節眼睛適應能力的一種手段。

暗適應的主要生理機制是視覺的二重功能的作用,是在黑暗中由中央視覺轉變為邊緣視覺的結果。在黑暗中,視網膜邊緣部分的桿狀細胞內有一種紫紅色的感光化學物質,叫

做視紫紅質。在明亮環境下視紫紅質因被曝光而破壞退色,使桿狀細胞失去對亮度的感受能力。當進入黑暗環境時,視紫紅質又重新合成而恢復其紫紅色,使桿狀細胞恢復其對亮

度的感受能力,故所謂視覺的暗適應過程是與視紫紅質的合成過程相對應的。

另外,紅光對桿狀細胞的視紫紅質不起破壞作用,所以紅光不阻礙桿狀細胞的暗適應過程。在黑暗環境下工作的人們,在進入光亮環境之前戴上紅色眼鏡,再回到黑暗環境時,他的視覺感受性仍然保持原來的水平不需重新進行暗適應。所以重要的信號燈、車輛的尾燈等采用紅光也是利于人眼暗適應的。夜航飛機駕駛艙的儀表采用紅光照明既能保證飛行員看清儀表,又能保持視覺暗適應的水平,以利于在黑夜的天空觀察機艙外部的物體。

平均亮度環境亮度較高時,眼睛的亮度適應范圍大約是1000∶1;而在平均亮度環境亮度很低時,眼睛的亮度適應范圍則只有約10∶1。例如,在平均亮度環境lgB=3時,眼睛對于亮度為lgB=5的物體已感覺到很亮了,即使再增大該物體的亮度,眼睛也不覺得更亮;而在同樣的平均亮度環境lgB=3時,眼睛對亮度為lgB=1的物體,已感覺較黑暗了,即使該物體亮度再進一步減少,眼睛也不易覺得有明顯的變化。又如,在平均亮度環境lgB=-1.5時,眼睛對于亮度為lgB=-1的物體已感覺到很亮;而對于亮度為lgB=-2的物體,則感覺是黑色,此時眼睛可區分的亮度范圍較小。

2)視覺惰性與閃爍

眼睛的另一重要特性是視覺惰性,也就是眼睛對亮度的主觀感覺與外界光的作用時間有關。這一現象可以通過光化理論得到解釋。

視覺惰性能夠被加以利用的關鍵原因是視覺暫留,即在外界光脈沖作用之下,亮度在眼睛里建立得快而消失得慢。一般正常人眼睛的視覺暫留時間約為0.1s

用一個簡易的實驗可證明人眼有視覺惰性。在黑暗中,用點燃的一支香煙在空中劃圓圈,當劃圈的速度足夠快時,所看到的就不是一個移動的光點,而是一個完整的光圈。這

是因為雖然某點上的點光源已經移走了,但人眼還覺得它存在,這就是人眼對亮度感覺的惰性。圖2－4給出了人眼的視覺惰性的示意圖。當圖2－4(a)所示的光脈沖(可用電筒作發射光源)作用于人眼時,眼睛所感覺到的主觀亮度如圖2－4(b)所示。

可見,人眼的亮度感覺滯后于實際光脈沖信號,當光脈沖消失之后,亮度感覺需要一段時間才能完全消失,這種現象就是人眼的視覺惰性。通常把圖2－4中t2~t3時間間隔稱為視覺暫留時間。人眼的視覺惰性表示人眼的時間分辨能力是有限的。人眼的視覺特性在電視、電影等顯示技術中都得到了充分的應用。

圖24人眼的視覺惰性示意圖

在正常亮度范圍內,臨界閃爍頻率與亮度的對數之間有著線性關系。此關系可用如下數學公式近似表示:

式中,fc

為臨界閃爍頻率(單位:Hz);a、b為與環境亮度和在視網膜上成像的位置有關的修正系數;B

a

為被檢測畫面的平均亮度(單位:nit)。

對普通CRT顯示器而言,設屏幕表面的平均亮度Ba

=100nit,此時的修正系數分別為a≈9.6,b≈26.6,則其臨界閃爍頻率則為

臨界閃爍頻率還與亮度變化幅度有關,亮度變化幅度越大,閃爍頻率越高。另外,相繼兩幅畫面本身的亮度分布和顏色、觀看者到畫面的距離以及環境條件等也都對臨界閃爍

頻率有影響。總而言之,閃爍是一個復雜的現象,它與許多物理量以及觀察者的特性都有關。

對于重復頻率在臨界閃爍頻率以上的光脈沖,人眼不再感覺到閃爍。此時主觀感覺到的亮度等于光脈沖亮度的平均值。

2.視覺的空間特性

人眼能區分物體形象細節和明暗層次的能力屬于視覺的空間特性。以下首先從介紹視力入手,然后再進一步討論分辨率和對比辨認能力,最后引出空間頻率的概念。

1)視角

通常所說的視力就是指眼睛分辨物體細節的能力,準確地說,應稱之為中央凹視力,其大小是以被觀察物體與眼睛所形成的張角來表示的。這個張角又叫做視角,其大小決定了被觀察物體在視網膜上成像的大小。距觀察者一定距離的物體若對眼睛形成較大的視角,則在視網膜上形成的影像也較大。當物體向眼睛移近時,視角也增大,看到的影像也變大。因此,視角的大小既取決于物體本身的大小,也取決于物體與眼睛的距離。在視覺的研究中,常用視角來表示物體與眼睛的關系。

分辨力是指人眼在觀看景物時對細節的分辨能力。對人眼進行分辨力測試的方法如圖2－5所示,在眼睛的正前方放一塊白色的屏幕,屏幕上面有兩個相距很近的小黑點,逐漸增加畫面與眼睛之間的距離,當距離增加到一定長度時,人眼就分辨不出有兩個黑點存在,感覺只有一個黑點,這說明眼睛分辨景物細節的能力有一個極限值,我們將這種分辨細節的能力稱為人眼的分辨力或視覺銳度。圖2－5人眼分辨力的測試

如圖2－5所示,用L表示眼睛與圖像之間的距離,d表示能分辨的兩點間最小距離,則有

人眼對彩色細節的分辨力比對黑白細節的分辨力要低。例如,黑白相間的等寬條子,相隔一定距離觀看時,剛能分辨出黑白差別,如果用紅綠相間的同等寬度條子替換它們,此時人眼已分辨不出紅綠之間的差別,而是一片黃色。實驗還證明,人眼對不同彩色,分辨力也各不相同。如果眼睛對黑白細節的分辨力定義為100%,則實驗測得人眼對各種顏色細節的相對分辨力(用百分數表示),見表2－2。

2)視覺銳度和分辨力

人通過視覺器官辨認外界物體的敏銳程度稱為視覺銳度(用V表示),亦即用視覺銳度來表示視覺器官辨認外界物體細節的能力,通常情況下就叫做分辨力。一個人能辨認物體

細節的尺寸愈小,其視覺銳度就越高;反之,視覺銳度愈差。眼睛對物體細節的辨認主要是視網膜中央凹處的功能,而中央凹處主要是錐狀細胞,因此只有在較高亮度條件下才能得到較高的視覺銳度。

分辨力的定義:眼睛對被觀察物上相鄰兩點之間能分辨的最小距離所對應的視角θ的倒數,即

視覺銳度與觀察距離有很大的關系。一個原來看不清楚的細小物體,移到離眼睛較近時便可以看清楚了,這是因為物體對眼睛形成的視角比原來增大了,視網膜上所形成的像也相應地增大了的緣故。在理論上,當被觀察的兩個細節單位在視網膜上所形成的像足能落在兩個相鄰的、獨立的感光細胞上面時,就能將這兩個細節單位區分開來。若兩個細節單位形成的視角較小,在視網膜上所形成的像落在同一個感光細胞上,就不能將二者區分開來,而看成是一個點。

3)視覺的空間頻率特性

前面我們采用視角(θ)和視覺銳度(V=1/θ)來表示眼睛的分辨力。這種方法得到的數據使用起來缺乏普遍意義,因為人眼的分辨力與圖像細節的對比度以及圖像的照明強度是

密切相關的。例如,如果相鄰的兩條黑白條紋的亮度相差無幾,即使條紋較寬,與人眼形成的視角達到3'~5',觀察者也不一定能區分清楚。其次,在實際觀察條件下,分辨力還與光信號的噪音有關。由此可見,無論是人眼分辨力的表示方法,還是分辨力的具體數據,都還值得進一步研究。

實際上“分辨力”這個參量是人和機器特性相結合所得出的最終結果。就機器設備來說,應當使用“可分解單元數”,因此在有的地方對顯示設備也使用“分解力”來描述。一臺可分解單元數很高的顯示設備,其系統的小信號帶寬必然很大,而且對于彩色系統來說其涂屏結構也必然很精細。就人的方面來說,眼睛分辨物體細節的特性屬于眼睛的空間特性,其分辨力應以空間頻率來表示。

(1)空間頻率的概念。

一個任何形狀波形的圖像信號都可以分解為各種不同頻率和不同幅度的諧波分量,如果這些諧波分量的幅度不是隨時間變化而是隨空間位置的不同而變化,為區別于隨時間變

化的圖像信號的頻率概念,我們稱這種頻率為空間頻率。空間頻率分水平空間頻率(m)和垂直空間頻率(n)兩種。下面用圖2－6的3種不同的黑白條信號來說明空間頻率的概念。圖2－63種黑白條信號

(2)空間頻率與圖像信號頻率的關系。

顯示圖像的空間頻率與圖像信號頻率之間有一一對應的關系。圖2－6(a)的圖像信號,如只考慮它的基頻信號的話,該電視信號的最高頻率為行頻的3倍。一般地說,在只存在

水平空間頻率的情況下,所得到的圖像信號最高頻率fm

為

式中,fH為行頻,m為水平空間頻率。

對于如圖2－6(b)所示的只存在垂直空間頻率的畫面,在隔行掃描的情況下,每場只得到兩個周期的脈沖信號,此時,圖像信號的最高頻率fn

為

式中,n是垂直空間頻率,fV是場頻。

對于如圖2－6(c)所示的同時存在水平和垂直空間頻率的畫面,在隔行掃描的情況下,此時,圖像信號的最高頻率fmn

為

2.3色度學基礎

2.3.1彩色三要素任意一種彩色光,均可用亮度、色調和色飽和度來表示,它們又稱作彩色三要素。亮度是指彩色光對人眼所引起的明亮程度感覺。當光波的能量增強時,亮度就增加;反之亦然。此外,亮度還與人眼光譜響應特性有關,不同的彩色光,即使強度相同,當分別照射同一物體時也會對人眼產生不同的亮度感覺。實驗表明:人眼對λ=550nm的光波,亮度感覺最靈敏。

色調是指光的顏色種類。例如,紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別表示不同的色調。色調是彩色最基本的特性。

色飽和度是指彩色的純度,即顏色摻入白光的程度,或指顏色的深淺程度。某彩色摻入的白光越多,其色飽和度就越低;摻入的白光越少,其色飽和度就越高。不摻入白光,即白光為零,則其色飽和度為100%;全為白光,則其色飽和度為零。

通常把色調與色飽和度合稱為色度。

2.3.2三基色原理

重要的原理———三基色原理。

三基色原理的主要內容如下:

(1)自然界中的絕大部分彩色,都可以由三種基色按一定比例混合得到。

(2)任意一種彩色均可以被分解為三種基色。

(3)由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于參與混合的各基色的亮度之和。

(4)三基色的比例決定了混合色的色調和色飽和度。

彩色混色法有兩種:一種是彩色光的混色,這種方式是用加法混色。例如彩色電視中,利用三基色原理將彩色分解和重現,最終使三基色光同時作用于人眼中,再利用視覺相加

混合原理獲得不同的彩色感覺。另一種是彩色顏料的混色,是用減法混色,如繪畫等,它們的混色規律是不同的。這里只討論彩色電視所用的相加混色法,其混色規律如圖2－7所示。圖2－7混色圖

從圖2－7(a)得知:

紅光+綠光=黃光

紅光+藍光=紫光

綠光+藍光=青光

紅光+綠光+藍光=白光

為了實現相加混色,除了將三種不同亮度的基色光同時投射到一個全反射表面上從而合成不同的彩色光以外,還可以利用人眼的視覺特性用下列方法進行混色:

(1)時間混色法:將三種基色光按一定順序輪流投射到同一表面上,只要輪換速度足夠快,則由于人眼的視覺惰性,人眼產生的彩色感覺就與由三基色直接混色時的彩色感覺相同。

(2)空間混色法:將三種基色光分別投射到同一表面上鄰近的三個點上,只要這些點相距足夠近,則由于人眼分辨率的限制,也將產生三基色混色的彩色感覺。

為了直觀地表現三基色的混色原理,確定混色后各種顏色之間的關系,常采用彩色三角形來表示三基色的混色過程。彩色三角形是一等邊三角形,三個頂點放置三基色,其余各混色可相應確定,如圖2－7(b)所示。

(1)每條邊上各點代表的顏色,是相應的兩個基色按不同比例混合的混合色。青、紫、黃三補色位于相應三邊的中點,它是相應的兩基色等量時的混合色。

(2)彩色三角形的重心是白色,它是等量的三基色的混合色。

(3)每根中線兩端對應的彩色互為補色,由于中線過重心,說明兩補色間可混合成白色。

(4)每邊的彩色為純色,色飽和度為100%。每邊上任一點至重心,其色飽和度逐漸下降至零,而色調不變。如圖中A點為粉紅色。

根據三基色原理,將紅、綠、藍三種基色按不同比例混合,可以獲得各種色彩。

2.3.3亮度方程

顯像三基色要混合成白光,所需光通量之比是由所選用的標準白光和所選三基色的不同而決定的。實驗表明,目前NTSC制彩色電視中,由三基色合成的彩色光的亮度符合下

面的關系:

Y=0.299R+0.587G+0.114B

由于彩色電視制式不同,所規定的標準白光和選擇的顯像三基色熒光粉是不一樣的。因此,由三基色合成的彩色光的亮度方程也不一樣。例如,PAL制的亮度方程為

Y=0.222R+0.707G+0.071B

但因NTSC制使用較早,所以,PAL制并沒有采用它本身的亮度方程,而是沿用了NTSC制的亮度方程。實踐表明,由此引起的圖像亮度誤差很小,完全能滿足人眼視覺對亮度的要求。

亮度方程通常近似寫成:

Y=0.30R+0.59G+0.11B

在彩色電視信號傳輸過程中,亮度信號和三基色信號是以電壓的形式來表示的。因此,亮度方程可以改寫成電壓的形式,即

2.4圖像的分解、傳送和合成

2.4.1像素及其傳送一幅圖像所包含的40多萬個像素是不可能同時被傳送的,它只能是按一定的順序分別將各像素的亮度變換成相應的電信號,并依次傳送出去;在接收端則按同樣的順序把電信號轉換成一個一個相應的亮點重現出來。只要順序傳送速率足夠快,利用人眼的視覺暫留效應和發光材料的余輝特性,人眼就會感覺到是一幅連續的圖像。

這種按順序傳送圖像像素信息的方法,是構成現代電視系統的基礎,并被稱為順序傳送系統,圖2－8是該系統的示意圖。

圖2－8圖像順序傳送系統示意圖

2.4.2光電轉換原理

1.圖像的攝取

電視圖像的攝取主要靠攝像管,其工作是基于光電效應原理的。常用的攝像管有超正析攝像管、光電導攝像管等多種,下面以光電導攝像管為例來說明圖像信號產生的過程。

光電導攝像管的結構如圖2－9(a)所示,它主要由光電靶和電子槍兩部分組成。圖2－9圖像信號產生的過程

(1)光電靶。在攝像管前方玻璃內壁上鍍上一層透明金屬膜作為光的通路和電信號輸出電極,稱之為信號電極板;在信號電極板(即金屬膜)后面再敷上一層很薄的光電導層,稱之為光電靶。

這種材料還有一個特點:當光照強度發生變化時,其電阻的變化只體現在深度方向上,并不沿橫向擴散。

(2)電子槍。電子槍由燈絲、陰極、控制柵極、加速極、聚焦極等組成。當各電極施加正常工作電壓時,通過燈絲加熱陰極,陰極便發射出電子。這些電子在加速、聚焦電場和

偏轉磁場共同作用下,形成很細的一束電子流射向光電靶。

從圖2－9(b)可以看出,當電子束射到光電靶上某點時,便把該點對應的等效電阻R(即圖中的R1、R2、R3、…)接入由信號電極板、負載電阻RL、電源E和電子槍的陰極構成的回路中,于是回路中便有電流i產生。電流i的大小與等效電阻R有關,即

當圖像上某像素的亮度發生變化時,則對應的等效電阻R也發生變化,從而引起電流i發生變化,并直接導致圖中C點的對地輸出電壓UCO隨之發生變化。這個反映圖像上像

素亮度隨時間變化的電壓UCO,被稱為圖像信號電壓,簡稱圖像信號。

攝像管光電轉換過程大致如下:

(1)被攝景像通過攝像機的光學系統在光電靶上成像。

(2)光電靶是由光敏半導體材料制成的。這種材料的電阻值會隨光線強弱而變化,光線越強,材料呈現的電阻值越小。

(3)由于被傳送光圖像各像素的亮度不同,因而光電靶面上各對應單元受光照強度也不同,導致靶面各單元電阻值就不一樣。與較亮像素對應的靶面單元阻值較小,與較暗像素對應的靶面單元阻值較大,即一幅圖像上各像素的不同亮度,轉變為靶面上各單元的不同電阻值。

(4)從攝像管的陰極發射出來的電子,在攝像管各電極間形成的電場和偏轉線圈形成的磁場的共同作用下,按一定規律高速掃過靶面各單元,如圖2－9(b)所示,當電子束接觸

到靶面某單元時,就使陰極、信號電極、負載、電源構成一個回路,在負載RL中就有電流流過,而電流的大小取決于光電靶面上對應單元的電阻值大小。

綜上所述,可得如下結論:當組成被攝景像的某像素很亮時,在光電靶上對應成像的單元所呈現的電阻值就很小,電子束掃到該單元時出現的對應電流i就很大,這樣,攝像機輸出的圖像信號電壓就很小;反之,如果組成被攝景像的某像素很暗,在光電靶上對應成像的單元所呈現的電阻值就很大,電子束掃到該單元時出現的對應電流i就很小,這樣,攝像機輸出的圖像信號電壓就很大。如果認為攝像管的光電轉換是線性的,則當有電子束掃描一幅圖像時,就依次可以得到與圖像上各像素亮度相對應的電信號,從而完成把一幅圖像分解成為像素,以及把各像素的亮度轉變成為相應電信號的光電轉換過程。

上述攝取的圖像信號(電信號)符合像素越亮,則對應的輸出電壓越低,像素越暗,則對應的輸出信號電壓越高的光電轉換規律,稱之為負極性圖像信號;反之,如果圖像輸出電壓與對應像素亮度成正比,則稱之為正極性圖像信號。

2.圖像的重現

圖像的重現是依靠CRT、LCD、PDP等顯示器件來完成的。它們的任務是將圖像電信號轉換為圖像光信號,完成電到光的轉換。下面以CRT顯像管為例,來說明圖像重現的過程。

2.4.3電子掃描

在顯示技術中,所謂掃描,就是電子束在攝像管或顯像管的屏面上按一定規律作周期性的運動。攝像管利用電子束的掃描,在傳送圖像時,將像素自上而下、自左而右一行一行地傳送,直至最后一行。這如同看書一樣,自左到右先看第一行,然后下移再回頭自左而右看第二行,一直繼續下去。顯像管也是利用電子束掃描,在接收圖像時,將像素自上而下、自左而右依次恢復到原來的位置上,從而重現圖像。

1.行掃描和場掃描

顯像管中的電子掃描是這樣實現的:在顯像管的管頸上裝有兩種偏轉線圈,一種叫行偏轉線圈,另一種叫場偏轉線圈。前者產生垂直方向的磁場,后者產生水平方向的磁場。當偏轉線圈通以線性變化的電流時,產生的磁場也是線性變化的。顯像管電子槍的陰極電子束在通過偏轉線圈時,在行偏轉線圈所產生的垂直磁場的作用下,按左手定則規律,沿著水平方向作有規律的運動,叫做行掃描;陰極電子束在場偏轉線圈所產生的水平磁場的作用下,沿著垂直方向作有規律的運動,叫做場掃描。

設在行偏轉線圈里通過的鋸齒波電流如圖2－10(a)所示,此電流的幅度隨所選用的顯像管和偏轉線圈而異。從圖2－10(a)、(b)可以看出:當通過行偏轉線圈的電流線性增長時(t1~t2

),電子束在偏轉磁場的作用下,開始從左向右作勻速運動,這段運動過程所對應的時間叫做行掃描的正程,用TSH表示(需要的時間約為52μs)。正程結束時(t2

時刻),電子

束已掃描到屏幕的最右邊。接著偏轉電流又很快地線性減小(t2~t3),電子束就相應地從右向左運動。經過大約12μs后,又回到屏幕的最左邊。

電子束從屏幕最右邊回到最左邊的這段運動過程所對應的時間叫做行掃描的逆程,用T

RH

表示。按照我國電視標準的規

定,行掃描的正程與逆程時間之和,即行掃描周期TH

為64μs。因此行掃描鋸齒波電流的重復頻率fH=1/TH15625Hz。假定只在行偏轉線圈里通過鋸齒波電流,而不在場偏轉線圈里通過鋸齒波電流,即電子束只有行掃描而沒有場掃描,那么熒光屏上將只呈現一條水平亮線,如圖2－10(b)所示。

圖2－10行掃描和場掃描示意圖

設在顯像管的場偏轉線圈里通過的鋸齒波電流如圖2－10(c)所示,那么電子束在水平偏轉磁場的作用下將產生自上而下(t1~t2

)、再自下而上(t2~t3

)的運動。電子束自上而下的運動過程叫做場掃描的正程,用TSV

表示。電子束自下而上的運動過程叫做場掃描的逆程,用T

RV

表示。場掃描的周期TV

等于正程掃描時間(TSV

)和逆程時間(TRV

)之和。假定只在場偏轉線圈里通過鋸齒波電流,而不在行偏轉線圈里通過鋸齒波電流,那么熒光屏上將只呈現出一條垂直的亮線,如圖2－10(d)所示。

2.逐行掃描

所謂逐行掃描,就是電子束自上而下逐行依次進行掃描的方式。這種掃描的規律為:電子束從第一行左上角開始掃描,從左到右掃完第一行,然后從右回到左邊,再掃描第二行、第三行……直至掃完一幅(幀)完整的圖像為止。接著電子束從最下面一行又向上移動到第一行開始的位置,又從左上角開始掃描第二幅(幀)圖像,一直重復下去。

在電視技術中,電子束的行掃描和場掃描實際上是同時進行工作的,電子束在水平掃描的同時也要進行垂直掃描,即電子束在水平偏轉磁場和垂直偏轉磁場的合成磁場作用下,一方面作水平的運動,同時還作垂直的運動。由于行掃描速度遠大于場掃描速度,因此在電視屏幕上看到的是一條條稍向下傾斜的水平亮線所形成的均勻光柵,如圖

2－11(a)所示。圖2－11逐行掃描示意圖

3.隔行掃描

隔行掃描就是把一幀圖像分成兩場來掃描。第一場掃描1、3、5、……奇數行,形成奇數場圖像,然后進行第二場掃描時,才插進2、4、6、……偶數行,形成偶數場圖像。奇數場和偶數場快速均勻地相嵌在一起,利用人眼的視覺暫留特性,人們看到的仍是一幅完整的圖像。

隔行掃描的行結構要比逐行掃描的復雜一些。下面以每幀9行掃描線(Z=9)為例來說明隔行掃描光柵的形成過程。為簡化起見,行、場逆程掃描時間均忽略不計,如圖2－12所示。圖2－12隔行掃描示意圖

4.我國模擬廣播電視掃描參數

我國模擬廣播電視采用隔行掃描方式,其主要掃描參數如下:

2.4.4彩色圖像的分解與合成

1.彩色圖像的分解

電視圖像是通過攝像管把圖像的光信號變成電信號的。但由于一幅圖像細節變化很多,因此不能將整幅圖像直接變成電信號,而是先將一幅彩色平面圖像分解成許許多多彩

色的像素,每一像素均可用亮度、色調和色飽和度這三個要素來表征;再將每一像素順序轉變成電信號。對于活動圖像而言,每一像素的三要素都是時間的函數。

根據三基色原理,

首先,用分色系統把彩色圖像分解成紅、綠、藍三幅基色光,同時送到對應的紅、綠、藍攝像管的光敏靶上,三基色攝像管在掃描電路的作用下進行光電轉換,然后進行預失真γ校

正,以補償光電轉換系統的非線性。經過光電轉換,三基色光就變成了三個電信號ER、EG、GB。這樣就完成了圖像的分解,如圖2－13上部所示。

圖2－13彩色圖像的分解與合成過程

2.彩色圖像的重現

要設計一個彩色電視系統,使重現圖像的彩色與原景物彩色的光譜分布完全相同,以達到原景物彩色的理想重現,這不僅在技術上難以實現,而且也沒有必要。因為根據三基

色原理,用紅、綠、藍這三種基色混合就可以模擬出自然界的絕大部分彩色,而且視覺效果相同。在發送端,用攝像管取得了代表紅、綠、藍三基色的電信號,相應的在接收端就可

以把這三個基色的電信號再轉換成按比例混合的彩色光,這樣就正確地重現了景物的彩色圖像。其具體工作過程如下:

在接收端,如圖2－13下部所示,經過傳輸通道,圖像信號又被解碼器分解為三個基色信號去控制彩色顯像管的三條電子束。在彩色顯像管屏幕上涂敷著按一定規律緊密排列的紅、綠、藍三色熒光粉,顯像管的三條電子束在掃描過程中各自擊相應的熒光粉。加到顯像管三個陰極上的三基色信號ER、EG、EB分別控制R、G、B三條電子束的強弱,彩色顯像管屏幕上就呈現出三幅基色圖像,由于三色熒光粉依空間位置緊密鑲嵌在一起,人眼所感覺到的則是它們混合構成的彩色圖像。所以,彩色顯像管是利用空間混合法重現彩色圖像的。

2.5圖像顯示的基本參量

2.5.1亮度、對比度和灰度1.亮度亮度就是人眼對光的明暗程度的感覺,通常以B表示。度量亮度的單位為尼特(nit)。尼特定義為在一平方米面積內具有一坎德拉(cd)的發光強度,即1nit=1cd/m2。坎德拉又叫燭光。

顯示器屏幕的亮度就是指在屏幕表面的單位面積上,垂直于屏面方向所給出的發光強度。

亮度是用來表示發光面的明亮程度的。如果發光面的發光強度越大,發光面的面積越小,則看到的明亮程度越高,即亮度越大。普通CRT熒光屏的亮度一般可以達到100nit左右。

2.對比度

客觀景物的最大亮度與最小亮度之比稱為對比度(Contrast),通常以C表示。對比度指的是一幅圖像中明暗區域最亮的白和最暗的黑之間的不同亮度層級的測量,差異范圍越大代表對比度越大,差異范圍越小代表對比度越小。當顯示器屏幕上的對比度達到100∶1時就容易顯示生動、豐富的色彩。

對于重現的顯示圖像而言,其對比度不僅與顯像管的最大亮度Bmax和最小亮度Bmin有關,還與周圍的環境亮度BD有關。對比度C的計算公式為

例如,當從電視接收機屏幕上觀看實況轉播時,雖然實際現場亮度范圍可達200~20000nit,而電視屏幕上的亮度范圍僅為2~200nit(設環境亮度為30nit),但人眼仍有真實的主觀亮度感覺,因為它們的對比度相同,都為100(當然還應保持適當的亮度層次)。

3.灰度

所謂灰度色,就是指純白、純黑以及兩者中的一系列從黑到白的過渡色。我們平常所說的黑白照片、黑白電視,實際上都應該稱為灰度照片、灰度電視才確切。灰度色中不包

含任何色相,即不存在紅色、黃色等這樣的顏色。

2.5.2圖像的尺寸與幾何形狀

1.圖像的尺寸

根據人眼的特性,視覺最清楚的范圍約為垂直夾角15°、水平夾角20°的矩形面積。因此,目前世界各國顯示器屏幕都采用矩形,畫面的寬高比為4∶3或5∶4。隨著顯示技術的進步,幅型比(即寬高比)向大屏幕方向發展,目前世界上已出現寬高比為5∶3、5∶3.3、16∶9、16∶10等尺寸。

2.圖像的幾何相似性

顯示器重現圖像要與實際景象形狀相似,比例要一致。這種幾何上的相似性很重要,盡管看電視時并沒有實際景象與圖像相對照,重現圖像有一定的失真也不易感覺出來,但

是對于觀眾熟悉的人物或器具,若失真稍大一些就容易覺察出來,故圖像失真應限制在一定的范圍內。圖像失真通常分為非線性失真和幾何失真兩種。

(1)非線性失真。這是由行、場鋸齒波電流非線性失真引起的。

設系統傳送的是標準方格信號,則掃描鋸齒波電流及對應的幾何圖像如圖2－14所示。圖2－14(a)是當行、場掃描電流均為線性時的理想情況,此時重現圖像與原圖像相似,

沒有非線性失真。當行、場掃描電流非線性時,其重現的方格寬度、高度就會不均勻而呈現非線性失真,如圖2－14(b)、(c)所示。圖2－14顯示圖像的非線性失真

(2)幾何失真。由于偏轉線圈繞制和安裝不當,導致磁場方向不規則、不均勻及行場、磁場彼此不垂直等,則掃描光柵將分別產生枕形、桶形及平行四邊形等幾何失真。圖2－15給出了枕形、桶形和平行四邊形等幾何失真的情況。圖2－15電視圖像的幾何失真

2.5.3電視圖像清晰度與電視系統分解力

電視圖像清晰度是指人眼主觀感覺到圖像細節的清晰程度。電視系統本身傳送圖像細節的能力,稱為系統的分解力。主觀圖像清晰度與客觀系統分解力有關。顯示系統的每場掃描行數愈多,景物被分解的像素數就愈多,重現圖像的細節也就愈清晰,因而人眼主觀感覺圖像的清晰度也就愈高。由于像素數的多少很大程度上取決于掃描行數,故通常用能分辨的黑白相間的掃描線數來表征顯示系統的分解力,并稱之為標稱分解力。

1.垂直分解力

垂直分解力是指顯示系統沿著圖像的垂直方向所能夠分辨出的像素的數目。顯然它受每幀屏幕顯示行數Z'(或者總行數Z)的限制。在最佳的情況下,垂直分解力M就等于顯

示行數Z'。在一般情況下,并非每一屏幕顯示行數都代表垂直分解力,而取決于圖像的狀況以及圖像與掃描線相對位置的各種情況。

對于逐行掃描而言,考慮到圖像內容的隨機性,則有效垂直分解力M可由下式估算出:

式中,Ke稱為克爾(Kell)系數,Ke取值為0.76,β為場掃描逆程系數,Z為每幀顯示總

行數。

與逐行掃描相比,隔行掃描系統的有效垂直分解力還會下降,因此在實際計算時還要考慮到隔行效應。在2∶1隔行掃描系統中,有效垂直分解力M可由下式算出:

式中,Kg

稱為隔行因子,一般取值為0.7。

2.水平分解力

水平分解力是指顯示系統沿圖像水平方向能分解的像素的數目,用N表示。水平分解力取決于電子束模截面大小,也就是說,水平分解力與電子束直徑相對于圖像細節寬度的大小有關。

逐行掃描系統的實驗測試已經證明,在同等長度條件下,當水平分解力等于垂直分解力時圖像質量最佳。故此時的有效水平分解力由下式算出:

式中,K稱為幅型比,即寬高比。

2.5.4圖像信號的頻帶寬度

圖像信號的頻帶寬度是設計視頻放大器的主要依據,也是確定輻射電磁波需要多少頻帶寬度的主要依據。為了討論圖像信號的帶寬,需要討論它的最高頻率和最低頻率。圖像

信號的頻率決定于圖像的內容,細節越細,其信號的頻率就越高。

假定屏幕上的圖像僅是兩根黑白豎條,則該圖像信號的波形是周期為行掃描周期(64μs)的一個方波,它的基頻就是15625Hz。若黑白豎條數增加一倍,則頻率也增加一倍。可見最高頻率決定于屏幕上的圖像可以劃分得細到什么程度。假定圖像是由許多極小的黑白相間的正方形方格組成,如果方格的寬度等于像素的大小即一根行掃描線的垂直寬度,顯然這應該是能夠劃分得最細的密度。因此,視頻信號的頻帶寬度與一幀圖像的像素個數有關。

1.一幀圖像的像素

圖像信號的頻帶寬度與一幀圖像的像素個數和每秒掃描的幀數有關,下面以我國的廣播電視系統為例進行分析。我國的電視掃描總行數Z=625行,其中正程Z'=575行,逆程為50行。因此,一幀圖像的有效掃描行數為575行,即垂直方向由575行像素組成。一般電視機屏幕的寬高比為4∶3,因此一幀圖像的總像素個數約為

2.圖像信號的頻帶寬度

圖像信號包括直流成分和交流成分。其中直流成分反映圖像的背景亮度,它的頻率為零,反映了圖像的最低頻率。交流成分反映圖像的內容,圖像越復雜,細節變化越細,黑白電平變化越快,其傳送信號頻率就越高。顯然圖像信號頻帶寬度等于其最高頻率。

如果播送一幅左右相鄰像素為黑白交替的脈沖信號畫面,顯然這是一幅變化最快的圖像,每兩個像素為一個脈沖信號變化周期,若某電視系統規定一秒種傳送25幀畫面,則該系統圖像信號的最高頻率就為

在逐行掃描情況下,圖像信號的最高頻率fmax

可用下面的公式進行計算:

式中,K為幅型比(即寬高比),Ke稱為克爾系數,α為行掃描逆程系數,β為場掃描逆程系數,f

Z

為幀頻,Z為每幀掃描總行數。

在2∶1隔行掃描情況下,圖像信號的最高頻率fmax

可用下面的公式進行計算:

式中,fV為場頻。

2.5.5每幀圖像掃描行數的確定

人眼的分辨角,是在一定距離L時,人眼恰能分辨的兩個黑點之間的夾角,用θ表示。顯然θ越小,表示人眼的分辨力越強;反之則越弱。因此可以定義人眼的分辨力為分辨角

的倒數。由前述人眼的分辨力知識可知:正常人眼睛的分辨角為θ=3438d/L,式中θ以角度分為單位,d為兩個黑點之間距離,即行距。設顯示器屏幕高度為h,屏幕有效顯示行數

為Z',則有

2.6視頻信號

2.6.1黑白視頻信號視頻信號是指光圖像經掃描、光電轉換過程后變成的電信號。本小節主要以黑白全電視信號為例來討論黑白視頻信號的特性。黑白全電視信號包括圖像信號、復合消隱信號以及復合同步信號三大類。圖像信號反映了電視系統所傳送圖像的信息,是電視信號中的主體,它是在場掃描正程期的行掃描正程期內傳送的。

其他幾種信號則是為了保證圖像質量而設的輔助信號。其中,復合消隱信號是為了消除回掃線從而使圖像清晰;而復合同步信號的作用主要是使重現圖像與攝取圖像確實同步,正確重現圖像并使之穩定。這些輔助信號都是在行、場掃描逆程期間傳送的。

1.圖像信號

圖像信號由發送端的攝像管產生,通過攝像管內的靶電極,把明暗不同的景像轉換為相應的電信號,然后經信號通道傳送處理,從而形成圖像信號,圖2－16為兩行圖像信號的波形。圖2－16圖像信號

2.復合消隱信號

復合消隱信號包括行消隱和場消隱兩種信號,如圖2－17所示。圖217復合消隱信號

行消隱信號用來確保在行掃描逆程期間顯像管陰極的掃描電子束截止,不傳送圖像信息;場消隱信號是使場掃描逆程期間掃描電子束截止,停止傳送圖像信息。因此在行、場回掃期間,電視屏幕上不出現干擾亮線(即回掃線)。

3.復合同步信號

復合同步信號是由行同步信號、場同步信號、槽脈沖和前后均衡脈沖組成的。

1)同步的重要性

電視圖像的發送與接收是靠電子掃描對圖像的分解與合成實現的。要想使接收機重現發送端的景象,必須嚴格保證發送端與接收端的電子掃描步調完全一致,也稱為同步;否則重現的圖像就不正常。

2)行、場同步信號

電視信號發送端為了使接收端的行掃描規律與其同步,特在行掃描正程結束后,向接收機發出一個脈沖信號,表示這一行已經結束。接收機收到這一脈沖信號后應該立即響應

并與之同步。這個脈沖信號被稱為行同步信號。

由于行同步信號是為了正確重現圖像的輔助信號,它不應在屏幕上顯示,所以將它安排在行消隱期間發送,并且為了便于行同步信號的分離,特使它的電平高于消隱電平25%,即位于75%~100%之間,其寬度為4.7μs,行同步脈沖前沿滯后行消隱脈沖前沿約為1.3μs,行同步信號的周期為64μs,如圖2－18所示。圖2－18行、場同步信號

3)槽脈沖與前后均衡脈沖

由于場同步脈沖持續2.5個行周期,如果不采取措施就會丟失2~3個行同步脈沖,使行掃描失去同步,直到場同步脈沖過后,再經過幾個行周期,行掃描才會逐漸同步,從而造成圖像上邊起始部分出現扭曲現象。為了避免上述情況發生,電視發送端特在場同步脈沖期間開幾個小槽來延續行同步脈沖的傳遞,這就是槽脈沖。

由于電視信號的傳送采用隔行掃描,即一幀圖像分兩場傳送,一幀圖像的掃描行數為奇數,所以當奇數場的場同步脈沖出現時,就開始奇數場的掃描。當奇數場掃描到屏幕最后一行的一半(TH/2)時,偶數場的場同步脈沖就到來了,這時就開始進入偶數場的掃描。偶數場先開始逆程回掃,回掃結束后,就進入正程掃描,此時電子束正位于屏幕最上一行的中間。再掃描半行后,就出現了行同步脈沖,這時就開始了偶數場下一行的掃描,直至掃完最后一個完整行。

隨后,奇數場的場同步信號到來,于是又開始了奇數場的掃描,重復上述過程,如圖2－19所示。為了便于比較,圖中將兩場同步脈沖對齊。由圖2－19可知,奇數場和偶數場的復合同步脈沖的形狀是不同的,奇數場和偶數場的最后一個行同步脈沖與下一場場同步脈沖的間隔相差半行(TH/2)。

圖2－19復合同步信號及其分離

4)黑白全電視信號

黑白全電視信號的波形如圖2－20所示。它由圖像信號及六種輔助信號(行同步、場同步、行消隱、場消隱、槽脈沖與均衡脈沖)組成。

由圖2－20可知,黑白全電視信號的圖像信號在兩個消隱信號中間傳送。在消隱期間,只傳送同步信號,不傳送圖像信號,即圖像信號在掃描正程傳送,消隱和同步信號在掃描

逆程傳送。我國電視標準規定,全電視信號采用負極性信號,信號幅度越高,顯像管顯示亮度越暗,即圖像信號電平高低與圖像的亮暗成反比。

采用負極性信號的優點是,消隱信號處于全電視信號輻射電平相對幅度的75%附近,屬于黑電平區域,此期間的電視屏幕不發光;同步信號處于全電視信號輻射電平相對幅度的75%~100%之間,屬于超黑色,此期間的電視屏幕也不會發光。由于同步信號幅度最大,從而便于接收機電路取出同步信

號。圖像信號處于白電平和黑電平之間的低幅區,便于降低發射功率;對于超過同步信號的大幅度外界干擾脈沖信號,在電視屏幕上表現為暗點,不易覺察。

圖2－20黑白全電視信號

黑白全電視信號有如下三個特點:

(1)脈沖性。全電視信號由圖像信號、同步信號、消隱信號等多種信號組合而成。雖然圖像信號是隨機的,既可以是連續漸變的,也可以是脈沖跳變的,但輔助信號均為脈沖性

質,這使全電視信號成為非正弦的脈沖信號。

(2)周期性。由于采用了周期性掃描方法,使全電視信號成為以行頻或場頻周期性重復的脈沖信號。因此,無論對靜止還是活動圖像,其全電視信號的主頻譜仍為線狀離散譜性質,各主頻譜處在行頻及其各次諧波頻率上。對靜止圖像而言,其主頻譜兩側將出現以幀頻為間隔的副頻譜線,構成譜線簇;對活動圖像而言,主譜線兩邊將出現連續頻譜帶,它們的主要能量均集中在nfH附近,并非均勻分布,使每個譜線簇之間存在一些空隙。

(3)單極性。黑白全電視信號包含有圖像信號、復合同步信號及復合消隱信號,它們的數值總是在零值以上或以下的一定電平范圍內變化的,而不會同時跨越零值上、下兩個

區域,這稱為單極性。全電視信號有正極性與負極性之分,圖2－20所示的即為負極性黑白全電視信號波形圖。

2.6.2色差信號的組成與傳送

1.基色信號、亮度信號與色差信號

1)基色信號

彩色圖像經電視攝像機就形成了R、G、B三個基色信號,且每一基色信號的帶寬都與黑白圖像信號的帶寬相同,則三個基色占用的頻帶寬度總和就為18MHz,顯然無法兼容

傳輸。因此,彩色電視一般不直接傳送這三個基色信號,而必須先對它們進行一定的編碼。

為了實現兼容,彩色電視編碼最好含有兩類信號:一種是代表圖像明暗程度的亮度信號;另一種是代表圖像彩色的色度信號。

2)亮度信號

由亮度方程Y=0.3R+0.59G+0.11B可知,亮度信號可由R、G、B三基色信號合成。色度信號雖有R、G、B三種,但根據亮度方程,在Y、R、G、B這4個物理量中,只有3個量是獨立的。因此,作為傳送彩色信息的色度信號只需選擇兩種基色信號就可以了。例如,可選用Y作亮度信號,選用R、B作色度信號,而G可以通過亮度方程求得。但這樣做有個很大的缺點,即亮度信號Y已經代表了被傳送彩色光的全部亮度;而R、B本身也還含有亮度成分,這顯然是多余的,且在傳輸過程中易干擾亮度信號Y。為了克服這一缺點,彩色電視系統一般不選用基色本身作為色度信號,而選用的是色差信號。

3)色差信號

用基色信號減去亮度信號就得到色差信號。R-Y、B-Y、G-Y就是三種基色信號分別減去亮度信號Y而形成的,它們分別叫做紅色差信號、藍色差信號和綠色差信號。

由亮度方程可得出三種色差信號的幅值:

由于G-Y信號幅值較小,對改善信噪比不利,并且G-Y又可由R-Y和B-Y通過簡單的電阻矩陣合成產生,所以電視系統通常只傳送Y、R-Y和B-Y這三種信號,而不傳送G-Y信號,其中Y僅代表亮度信息,而R-Y、B-Y代表色度信息。顯然,這給兼容制電視系統提供了方便與可能。

圖2－21給出了由R、G、B這三種基色信號通過編碼合成的亮度信號Y與色差信號R-Y、B-Y的示意圖。圖2－21由R、G、B合成的亮度信號Y與色差信號R-Y、B-Y的示意圖

2.傳送色差信號的優點

(1)兼容效果好。當選用Y、R-Y、B-Y三種信號時,Y僅代表被傳送景物的亮度,而不含色度。而且,當所傳送的圖像為黑白圖片時,色差信號均為零,因為任何黑白圖片僅有亮度明暗的層次變化,因此它們的三基色信號總是相等的。例如,傳送一灰色時,其三基色信號為R=G=B=0.4V,它們合成的亮度信號Y=0.4V,所以色差信號R-Y、B-Y也為零。因此,色差信號只表示色度,不表示亮度。而且三色差信號對亮度的貢獻為零。這個道理不難證明,只要將亮度方程的左邊項移到右邊,并加以整理便可以得到

0=0.3(R-Y)+0.59(G-Y)+0.11(B-Y)

因此,色差信號的失真不會影響亮度。因此,黑白電視機只接收彩色電視臺中的Y信號,其效果與收看黑白電視臺的節目一樣,既不受色差信號的干擾,又能正常重現原圖像的亮度,所以,其兼容效果好。

(2)能夠實現恒定亮度原理。所謂恒定亮度原理,是指被攝景物的亮度在傳輸系統是線性的前提下均應保持恒定,即與色差信號失真與否無關,只與亮度信號本身的大小有關。

顯然,色調有失真,紅色變得更加偏紫了,但它們合成的亮度信號Y'仍然是0.5V,即此時所顯示的亮度仍然與失真前的相同;這就進一步說明色度通道的雜波干擾不影響圖像亮度,使圖像的質量得到了保證。

(3)有利于高頻混合。由于傳送亮度信號占有全部視頻帶寬的0~6MHz,而傳送色度信號只利用較窄的頻帶0~1.3MHz。因此,電視接收機所恢復的三個基色信號就只包含較低的的頻率成分,反映在畫面上,只表示出大面積的彩色輪廓;而圖像彩色的細節,即高頻成分則由亮度信號來補充。這就是說,由亮度信號顯示出一幅高清晰度的黑白圖像,再由色度信號在這個黑白圖像上進行大面積的低清晰度著色。此時人眼感覺到的就是一幅高質量的彩色圖像畫面。這就是所謂的大面積著色原理,又叫做高頻混合原理。

選用色差信號是有利于高頻混合的。為了在接收端能夠得到帶寬為0~6MHz的三個基色信號。只要將0~1.3MHz窄帶的色差信號混入一個0~6MHz全帶寬的亮度信號中,就可以達到高頻混合的

見,重現彩色圖像的三基色只包含0~1.3MHz的頻率分量;而1.3~6MHz范圍內的頻率分量則用亮度信號來補充。即顯示出粗線條(大面積)的圖像色彩,再附加黑白亮度信號的細節,這正好與人眼的視覺特性相適應。

另外,在進行高頻混合時,亮度信號中1.3MHz以下低頻成分不再重復出現,不會造成色度失真,也有利于接收機中濾波器的設計。如果直接用R、B基色傳送,則在高頻混合時,低頻分量的亮度會重復出現,不僅會造成彩色失真,而且也使接收機的濾波器難以設計。

2.6.3標準彩條測試信號

標準彩條測試信號是由彩條信號發生器產生的一種測試信號,常用來對圖像顯示器進行

測試和調整。這里以標準彩條測試信號為例,給出了亮度信號和色差信號的具體數據和波形。構成圖222(a)標準彩條測試信號的R、G、B三基色信號波形,分別如圖222(b)、(c)、(d)所示。它們是由脈沖電路產生的三組不同脈寬、相同幅度的方波。

將這三種方波信號加至彩色顯像管,分別控制彩色顯像管的三根電子束,并相應射到紅、綠、藍色熒光粉上,利用人眼空間混色作用,在屏幕上依次顯示白、黃、青、綠、紫、紅、藍、黑共8種豎條。如果是黑白電視接收機,則只能收看到8種灰度等級不同的豎條。

圖2－22三基色信號波形及其對應的彩條圖形

彩條中其余各色調的亮度、色差與色度電平值,計算結果列入表2－3中。

根據表2－3可畫出相應的亮度信號與色差信號波形圖,如圖2－23所示。

由圖2－23可見,彩條信號的亮度級別是遞減的,但非等級差,它是一個含有直流分量的正極性亮度信號,而色差信號卻是交流信號。圖2－23亮度信號與色差信號波形

2.6.4色度信號的編碼

1.頻帶壓縮

選用亮度信號Y和兩色差信號R-Y、B-Y作為彩色電視信號傳送,如果不加任何限制和處理的話,則彩色電視信號總的頻帶依然過寬,技術上還是難以實現,所以必須壓縮彩色電視信號的頻帶寬度。

2.頻譜間置

1)亮度信號的頻譜分析

亮度信號本來是非周期性的,但由于電視圖像信號采用了周期性掃描,使得視頻信號具有一定的周期性。

實際上,電視傳送的圖像亮度信號是各種各樣的,波形也各不相同,可用圖2－24畫出的活動圖像信號的頻譜來表示。這些譜線群也可用mfH±nfV表示,這里的m和n為包括零在內的正整數。圖2－24活動圖像信號的頻譜

嚴格來講,在隔行掃描的情況下,若考慮到奇、偶兩場信號的差異,則圖像信號的重復頻率就為幀頻。因此,離散譜線將以幀頻為間隔。

總之,從電視圖像亮度信號的頻譜分析來看,其能量主要分布在以行頻及其各次諧波頻率為中心的較窄范圍內,余下較大的空隙可用來傳送彩色信息。這就為在不擴展傳輸頻

帶的情況下實現彩色電視信號的傳送提供了理論依據。

2)色差信號的頻譜分析

由于色差信號和亮度信號一樣都是由三基色信號產生,并按同一掃描方式進行傳送的,因此色差信號具有和亮度信號相同的頻譜結構,只不過色差信號的頻帶寬度已被壓縮

到1.3MHz以下而已。色差信號的頻譜也可用mfH±nfV表示,按我國的電視標準,則m的最大取值為1.3MHz/15625Hz=83,如圖225(a)所示。圖2－25亮度信號與色度信號頻譜間置示意圖

3)頻譜間置

色差信號雖經頻帶壓縮,但它在頻域中與亮度信號仍是重疊的,若不加處理而直接混合傳送的話,接收端是無法將它們分開的。解決問題的辦法之一是移頻,即通過調制的方法將色差信號的頻譜移到亮度信號的頻譜中間,實現色差信號的頻譜與亮度信號的頻譜交錯。

3.彩色電視制式

前面我們已介紹過的頻譜間置概念,僅是對一個色差信號進行調制的情況,而實際上有兩個色差信號要同時傳送,才能構成完整的彩色視頻信號。怎樣實現兩個色差信號的頻

譜間置?于是,世界各國和地區就產生了十幾種不同的實現方法,最著名的就是NTSC、PAL和SECAM三大彩色電視廣播制式。

NTSC、PAL和SECAM這三種制式,都是把圖像信號編碼成一個亮度信號Y和兩個色差信號B-Y、R-Y來傳送,它們的主要區別在于兩個色差信號對色副載波的調制方式

不同。