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1、数字电视原理,主讲：陈泽波,第一章:彩色电视基础知识,一、电视系统的基本信号1、图像信号：视频信号2、声音信号：音频信号 将可见光经过光学透镜形成的影像，通过光电效应转换而成的电信号，称为视频信号或图像信号。将自然界以及人类发出的各种声响，通过声电转换而成的电信号，称为声音信号或音频信号。,二、信号的获取和记录,视频信号由摄像机获取声音信号由话筒获取视频信号的记录由录像机完成声音信号的记录同时由录像机完成视频信号 光可视图像信号由显示器完成音频信号 声波声音信号由音箱完成。,第一节 电视的发展,一、电视是20世纪人类最伟大的发明之一1936年11月，世界上第一家电视台诞生，它是英国国家广播公司
2、BBC，法国于1938年，美联于1939年先后建立电视台，我国于1958年正式建立。,1920年11月，第一家广播电台诞生于美国。1895年，电影正式出现。（无声电影）报纸有上千年的历史。电视的发展速度最快。,二、光电效应,1871年，瑞典科学家白脱莱在一次化学试验中，发现了“硒”。1873年，美国人约瑟夫.梅证实“硒”具有光电效应。,后来，爱因斯坦等人发现了光电效应的规律。光电效应的定义:在光的照射下物体的电特性发生变化，变化的程度与光线的强度成正比。光电效应的金属或粉物体有：锑铯、氧铯、钵铯 硫化锑、氧化铅、硫化镉,三、象素电视画面的最小单元,一幅图象可以分解为许多单元组成，每一单元称之为
3、“象素”。以我国电视为例，电视画面有625行，因长宽比为4：3，则总共有：625x x625=52万个象素,43,52万个象素是一个极限数字，目前的最佳清晰度是水平600条，垂直450条。：450线 600线,1935年，英国科学家休恩伯格领导的研究小组研制出电子扫描电视.电视时代正式开始。摄像管：光 电 显象管：电 光,四、电视图像的电子扫描方式,1、NTSC彩色电视制式1953年，美国研制成功NTSC彩色电视制式 National Television System Committee，称之为正交平衡调幅制。1954年4月，美国的NBC无线电广播公司首播彩色电视。1960年，日本播出彩色电
4、视NTSC。,五、彩色电视的制式,2、SECAM制式1967年，法国在NTSC制式的基础上创立了SECAM制式，称为顺序传送彩色与储存制。3、PAL制式同年，德国创立了PAL（Phase Alternation by Line）制式，称为逐行倒相制。我国大陆、香港采用PAL制。美国、日本、台湾采用NTSC制式。,六、卫星传送,1962年，美国发射通讯卫星成功，开创了电视传播的新纪元。卫星发送接收的特点，覆盖面广。,七、电视的发展,1.网络电视：通过互联网传播电视节目，主要运用P2P网络技术。3.数字点播电视VOD：（Video on demand）基于数字CATV网络和INTERNET两种不同
5、点播方式。用户端和电视是双向互动，观众可以点播。,4.高清晰度电视HDTV 宽高比16：9,行扫描数1125 视角达30，带宽20MHZ5.移动电视 以移动设备为接受终端，如手机。,第二节 彩色与视觉原理,一、光的性质光是一种电磁波波长在380780nm范围内的电磁波能给人以视觉，称为可见光。红外线、紫外线、X射线、无线电波等为不见光。,太阳光包含全部可见光谱，给人白光的感觉。不同比例的光谱可以混合出各种颜色的可见光。,图一、电磁辐射波谱,波长与频率f的关系:=CT周期T=C为光速=3x10 m/s 30万公里围绕地球一圈0.07秒,Cf,1,f,8,二、物体的颜色1、物体分为：发光体、不发光
6、体发光体:光的颜色由它本身发出的光谱决定。不发光体：其颜色与照射光的光谱和不发光体的反射、透射特性有关。红旗吸收了太阳光中的其他颜色，只反射红色光。绿叶在红光下的颜色是？,三、标准光源,1、标准光源：彩色电视系统的照明光源。2、色温：是绝对黑体的辐射温度，用来表示光源的光谱性能。色温的另一表述：色温是表示光源颜色的物理量度单位。,绝对黑体,3、绝对黑体：是指不反射、不透射，完全吸收入射辐射光的理想物体。绝对黑体内的光谱：绝对黑体的温度越高，则黑体的辐射光谱中的蓝光成分越多、红色光的成分越少。4、光源的色温：光源的可见光谱与某温度的绝对黑体辐射的可见光谱相同或接近时，绝对黑体的温度就称为光源的色
7、温。单位：K 开氏度,A/色温与光源的温度无关。电视机荧光屏的实际温度是常温。其白场色温是6500K.5、常用的标准白光有:A光源：色温为2856K的白光。如白炽灯的光源。B光源：色温为4874K的白光。相当中午的直射太阳光。,C光源：色温为6774K的白光。相当白天的自然光。NTSC制彩色电视的标准白光。D65光源：色温为6504K的白光。相当白天的平均光照。PAL制彩色电视的标准白光。E光源：色温为5500K的等能量白光。是简化色度学计算采用的理想光源，实际不存在。,电视演播室的卤钨灯光源的色温：3200K.,A,200,标准光源的光谱分布,四、光的量单位,1、光通量：是按人眼的光感觉来度
8、量的辐射功率。用符号表示。单位为流明lm1光瓦：当光的波长555nm的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683lm,称为1光瓦。光在其他波长时，由于相对视敏度V()的下降，相同辐射功率产生的光通量随之下降。,电视演播室的卤钨灯发光效率80100 lm/w,实例：,2、光照度光照度：1流明的光通量均匀分布在1平方面积上的光的亮度，称为1个单位的光照度。用E表示，单位勒，符号lx.室外晴天10000 lx多云500 lx傍晚50 lx月光0.1 lx黄昏0.01 lx星光 0.0001 lx,五、人眼的视觉特性,1、视觉灵敏度人能感觉到图像的颜色和亮度是眼镜的生理结构所决定。不同波长的光，给人
9、的颜色和亮度的感觉是不同的，人眼对不同波长光的灵敏度不同。我们称为视敏度V().光的波长555nm时，视敏度最高。此时光的颜色是草绿色。,标准视敏度曲线,2、彩色视觉光敏细胞：杆状细胞、锥状细胞杆状细胞：对黑白很敏感，彩色不敏感。夜间起作用。锥状细胞：可辨别光的强弱和色彩。分为：红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。其对光的视敏度分别为VR()、VG()、VB()，其峰值分别是580nm、540nm、440nm。600nm的黄光在VR()、VG()曲线下，表示同时刺激人眼的红敏细胞、绿敏细胞。不同波长的光对三种细胞刺激量不同，使人眼感觉五光十色的颜色。,3、分辨率是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。
10、物理定义：眼镜对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角的倒数。分辨力1/,人眼的分辨力,人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。正常人的分辨力是11.5实验表明，在某一相同距离的黑白两条线，人眼能辨别清楚；但换成红绿两条线时，不能分辨出来，只能看成一片黄色。人眼对彩色细节的分辨力较差。,如果人眼对黑白细节的分辨力定义为100，那么实验测得对各种颜色的相对分辨力是：,4、人眼视觉惰性人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。正常视力的人，中等亮度下的视觉暂留时间是0.1秒。临界闪烁频率：人眼在受到频率较低的周期性光脉冲的刺激下，有闪烁的感觉。但频率提高
11、到一定的数值后，人眼就感觉不到闪烁。这个最低频率称为临界闪烁频率。,闪烁频率的相关因素：A/光的亮度、光亮度的变化幅度B/亮度提高了，则闪烁频率提高；亮度变化的幅度越大，闪烁频率提高。C/人眼的临界闪烁频率是：46HZ,第三节 色度学,一、彩色三要素：亮度、色调、色饱和度1、亮度：反映光的明亮程度。发光体：辐射光的功率越大，亮度越大 不发光体：取决于其反射光的功率大小。,2、色调：反映色彩的颜色。红、橙、黄绿、青、蓝、紫等。发光体：由光的波长决定，不同的波长呈现不同的颜色。不发光体：由照明光源和该物体的吸收、反射和透射特性决定。,3、色饱和度：反映彩色的深浅程度。同一色调的光，会给人深浅不同的
12、感觉。深红色的饱和度高，粉红色的饱和度低。彩色光中包含的白光成分越多，饱和度越低。纯色光的饱和度是100；白光的饱和度是,色饱和度和色调合称为色度，表示彩色的种类 和彩色的深浅程度。,二、三基色原理1、三基色光：红色、绿色、蓝色2、三基色原理：任意彩色光F均可由一定比例的红、绿、蓝三种颜色的光混合而成；混合色的色调和饱和度由三基色光的混合比例决定，混合色的亮度等于三种基色亮度之和。F=R(R)+G(G)+B(B)(R)、(G)、(R)表示三基色单位，R、G、B表示不同的比例系数，称为三色系数。,R(R)、G(G)、B(B)分别代表彩色F中所含的三基色光通量，又称为彩色分量。国际照明委员会CIE
13、选定的标准三基色光波长：红色700nm、绿色546.1nm、蓝色435.8nm,红色+绿色+蓝色=白色红色+蓝色=紫色绿色+蓝色=青色红色+绿色=黄色红色 700740 nm绿色 510550 nm蓝色 430480 nm,3、互补色红色青色白色绿色紫色白色蓝色黄色白色两种颜色混合得到白色，称这两种颜色为互补色。,3、彩色电视技术中采用的混色方法：A/空间混色法：将三基色分别投射到同一表面上距离很近的三个点上，由于人眼的分辨力有限，能产生三种基色光混合后的色彩感觉。B/时间混色法：将三基色光轮流投射到同一表面上，只要轮换的速度足够快，加上视觉特性，人眼看到的是相加的混色效果。,三、XY制色度图
14、,1、光的配色方程：F=R(R)+G(G)+B(B)(R)、(G)、(R)表示三基色单位，R、G、B表示不同的比例系数。,2、配色实验结果：配成标准白色光E白，所需的红蓝绿三基色光的光通量之比1：4.5907：0.0601如果分别把1 lm的红光，4.590 7lm蓝光光、0.0601lm绿光记为一个单位，则FE白1(R)+1(G)+1(B),3、XYZ计色制。RGB制的配色方法不利于定量计算，在数学上假定虚拟的计算三基色X、Y、Z，称为XYZ三基色计色制。(X)=0.4185(R)-0.0912(G)+0.0009(B)(Y)=-0.1587(R)+0.2524(G)+0.0025(B)(Z
15、)=-0.0828(R)+010157(G)+0.1786(B),XYZ计色制的配色方程 F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)XYZ称为标准三色系数，(X)(Y)(Z)称为标准三基色单位。合成光的全部亮度由Y的数值决定。合成光的色度由XYZ的相对值决定。与XYZ的绝对值无关。当X=Y=Z时，配出等能白光E白。,我们用x、y、z表示相对值。则：,m为色模，表示彩色光标准三基色单位的总量，与亮度有关，与色度无关。,xyz1 z=-x y只要知道x、y的值，就可以知道z值。所以，我们用x、y的数据画出一个坐标，这个坐标就是x-y色度图。数据的点连成一个曲线，称为光谱色曲线。一个点表示一种色光。旁边标明其
16、波长。,4、XY制色度图：马蹄形图,XY制色度图的意义：谱色曲线内任意两点表示了两种不同的彩色，这两种彩色的全部混合色都在这两点的连线上；在谱线内，任取三点所对应的彩色作基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。E白点的坐标为x=1/3 y=1/3.谱线上任意一点与E白点的连线称为等色调线。该线上所有的点都对应同一色调的彩色。线上的点离E白点越近，对应的点彩色的饱和度就越小。,四、显象三基色和亮度公式,1、彩色电视重现图像的原理：电视荧屏上的三种荧光粉在电子束轰击下发出红、绿、蓝三种基色光混合而得到。这三种基色光称为显象三基色。2、不同电视制式选用的显象三基色和标准白光不同：PA
17、L:XY色度图的实线三角形部分NTSC:XY色度图的虚线三角形部分,显象三基色和标准白光的色度坐标,3、亮度公式经过数学矩阵变换，NTSC制中的显象三基色Re1Ge1Be1和XYZ之间的关系式为：X0.607 Re10.174 Ge10.200 Be1Y0.299 Re10.587 Ge10.114 Be1Z0.000 Re10.066 Ge11.116 Be1其中Y代表彩色的亮度，由显象三基色配出的任意彩色光的亮度为：Y0.299 Re10.587 Ge10.114 Be1,亮度公式的物理意义：由显象三基色配出的任意彩色光的亮度，可以由这一公式计算而得。,简化为：Y0.3 R0.59 G0.
18、11 B这就是亮度公式。PAL制也采用这一公式。,作业1,一、问答题1、红光源照明时白纸、红纸、绿纸各呈什么颜色？带上绿色眼镜再看呢？2、若水平方向上可以分辨出40根红、绿、竖线，对黑白、黑红、蓝绿线的分辨数是多少？3、已知三基色信号RGB的相对电平分别是1、0.5、0.4，求混合后亮度信号的相对电平。4、黄色、青色和红色相加混合后是什么颜色？黄色和紫色相加呢？,二、选择题：1、下列波长的电磁波不能使人看到的是：a、580nm b、680nm c、780nm d、880nm2、在白光下呈绿色的纸在红光下应该是：a、绿色 b、红色 c、白色 d、黑色3、光照度为10 勒相当于：a、晴天 b、多云
19、 c、月光 d、星光4、绿色、紫色、青色相加得到：a、浅绿 b、浅紫 c、浅青 d、浅黄,1,第四节 电视图像的传送原理,一、电视扫描方式1、我国规定电视画面每秒传送25帧。2、实践证明，要使人眼不出现闪烁感觉，每秒不少于46幅画面出现。3、为了提高帧频，在电视技术中采用隔行扫描的方式，即每秒扫50幅画面。技术上称分两场扫描，即两场为一帧。1帧=2幅,第一场只扫单数行1，3，5第二场只扫双数行2，4，6 每场扫描：625/2=312.5行 这种方式称为隔行扫描.,4、隔行扫描,（a）单数行扫描（b）偶数行扫描（奇数场）（偶数场）,（c）一帧完整图象隔行扫描示意图,5、场频、帧频、行频、行周期场
20、频：fv 50HZ帧频：fz 25HZ行频：fH 15625HZ 已知每秒扫描25帧画面，每帧扫描625行，则行扫描频率为25x625=15625HZ。称行频为15625HZ 行周期：TH=1/15625=64S 表示扫描一行所需的时间。,6、逐行扫描：电子枪依次从左到右，从上到下均匀一行紧跟一行地扫描一帧完整画面地方式。要求的带宽比隔行扫描大一倍。每秒扫50帧。1帧1场,二、同步信号,摄像管：实现从光 电信号显像管：实现从电信号 光信号同步信号：控制摄像管与显像管中电子束同步扫描的信号，称为同步信号，分行同步、场同步信号。,1.行同步信号的宽度:0.0734H=0.0734x64S（H为行周
21、期）=4.7S（微秒）2.场同步信号的宽度:2.5H=2.5x64=160S3.开槽脉冲信号：场同步信号出现时，（宽度2.5H），为了不使行同步信号丢失，在场同步信号上挖出五个小槽，这些槽脉冲起到行同步信号的作用，槽脉冲宽度也为 4.7微秒（0.0734H),间隙为1/2H。,4.均衡脉冲信号：为了保证在隔行扫描时，奇偶场的信号能准确地“套嵌”在一起，即两场扫描不重叠，还要在同步信号前后各加入五个槽脉冲，称为前后均衡脉冲，其宽度为0.0367H，间隔为1/2H。（宽度2.5H）,(a)行同步信号,三、消隐信号,电子束从左 右扫描，进行另一行时迅速回到左端，为了不使电子速出现痕迹，需要一个关闭电
22、子枪的信号，这就是消隐信号。消隐信号分：行消隐信号、场消隐信号、分别负责行、场逆程期间关闭电子束。一个行周期H=64S行正程=52S行逆程=12S,行消隐信号+场消隐信号=复合消隐信号,四、黑白全电视信号,1.黑白全电视信号包括:图像信号、行同步脉冲、行消隐脉冲、场同步脉冲、场消隐脉冲、槽脉冲、前后均衡脉冲。,2.一行视频信号的波形,一个行周期的电子束扫描轨迹,从信号电平可以看出，电平越高图像越黑，电平越低图像越亮，电平的高低与图像的亮暗成反比，这种视频信号称为负极性信号。,第五节 彩色电视信号的传输,1.兼容：黑白电视和彩色电视必须相互兼容,即彩色电视机能收看黑白电视节目，而黑白电视机又能收
23、看彩色电视节目。兼容条件：A：频带相同6MHZ。B：同步信号相同。C：彩色信号中必须包含易于分开的亮度信号和色度信号。D:相同的图像载频和声音载频。,一、黑白与彩色电视信号的兼容,2.彩色电视信号的组成：黑白电视信号+色差信号+色同步信号用黑白电视机收看彩色电视节目时，色差信号+色同步信号这两个信号不起任何作用。色差信号和亮度信号最终在接收端的解码器中分离出红、绿、蓝三基色的电信号，分别送往三个相应的电子枪，显示彩色图像。色同步信号控制解码器准确分离色差信号。,3.色差信号亮度信号方程：Y=0.30R+0.59G+0.11B色差信号：是指由基色信号和亮度信号 之差组成的信号。R-Y=R-（0.
24、30R+0.59G+0.11B）=0.70R-0.59G-0.11BB-Y=B-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.3R-0.59G+0.89BG-Y=G-（0.30R+0.59G+0.11B）=-0.30R+0.41G-0.11B,Y=0.30Y+0.59Y+0.11Y=0.30R+0.59G+0.11B0.30（R-Y）+0.59（G-Y）+0.11（B-Y）=0 G-Y=-(R-Y)-(B-Y)=-0.51(R-Y)-0.19(B-Y),在彩色电视技术中，因为 G-Y数值较小，对改善信噪比不利，所以选取R-Y、B-Y作为代表色度的色差信号。（i）当黑白图像时 R=G=B R-Y
25、=0 B-Y=0 这时电视只传送黑白图象,（ii）电视机显像管端的解码重现 R=（R-Y）+Y B=（B-Y）+Y G=（G-Y）+Y 这样就可以还原出三基色信号，从 而重现景物色彩。,（iii）亮度恒定原理：在彩色电视技术中，Y只含亮度信息，不含色度信息，R-Y、B-Y只含色度信息，不含亮度信息。如R增大时所增加的亮度正好等于B、G减小时降低的亮度，这样彩色电视信号的亮度保持恒定不变。,（iV）在我国PAL制彩色电视制式中（平衡正交调制）色差信号用V，U表示。V=R-Y U=B-Y为了避免某些高饱和度颜色的信号动态范围过大而导致发射机的过调制，要乘以小于1的系数，最后在接收端再恢复。V=0.
26、877（R-Y）U=0.493（B-Y）,（V）NTSC彩色制式中，用I、Q表示色差 信号。I=0.74（R-Y）-0.27（B-Y）Q=0.48（R-Y）+0.41（B-Y）,4.大面积着色原理：根据人眼的视觉特性，人眼对彩色差别的分辨力远比对亮度差别的分辨力要差。所以，在传送彩色电视信号时，只传送一个粗线条（大面积）的彩色图像，并配以亮度细节。这一原理称为大面积着色原理。频带压缩：实践证明，色差信号的频带压缩到11.5MHZ，已能满足人们对彩色的要求。我国色差信号标准带宽为1.3MHZ。01.3MHZ包含色度信号、1.36MHZ包含亮度信号。高频混合原理：用亮度信号中的高频分量来代替基色信
27、号中未被传送的高频分量。,5.频谱间置频谱：电视信号的波形是由许许多多的正弦波组成，每一频率的波形振幅各不相同，这些不同频率的振幅就组成了频谱。频谱上的每一条线称为谱线。亮度信号是周期性地逐行、逐场、逐帧扫描形成的，其频谱能量集中分布在行频及其各次谐波附近。频谱在这些频率点处呈现出谱线群的形式。,在整个亮度信号频谱中，约有5060%的频率范围是空白的。把色差信号安插在亮度信号的这些频谱空隙处，就解决了亮度和色差信号共用频带的难题。把色差信号的频谱和亮度信号的频谱交错相间地编织在一起，就叫做频谱间置。,6.彩色副载波fsc亮度信号与色差信号是由一幅彩色图象变换而来的，具有完全相同的频谱分布特性。
28、如果将两者简单地混合在一起，会出现信号的互相重叠、无法将其分开而产生严重干扰。所以，必须选取一个合适的载波频率fsc，使色差信号的频谱刚好落在亮度信号Y的各谱线之间，这个载波称为彩色副载波fsc。,对于不同的彩色电视制式，彩色副载波的频率fsc各不相同：PAL制式取fsc=4.43MHZ NTSC制式取fsc=3.58MHZ,7.色同步信号为了正确还原图象的色彩，在接收端需要恢复与发送端完全相同的彩色副载波。为此，需要在传送电视信号的同时再传送一个附加的基准信号，这个信号就是色同步信号。色同步信号是由一小串彩色副载波群组成的，约911个周期。色同步信号的频率等于彩色副载波的频率fsc，被叠加在行消隐脉冲信号的后肩，作为彩色全电视信号的一部分。,其波形如下：,4.7,S,1.5,2.25S,
