图像信号系统原理第1章

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亮度的单位: 尼特(nit) 1nit=1cd/m2
熙提(stilb) 1sb=1cd/cm2
(6) 照度:落到单位面积上的光通量称为照度
dF 定义: A dS
称为照度。
照度的单位;勒克斯(lux) 1 lux=1 lm/m2
教室的照度要求是20~100 lux。
(7) 一些自然数据
在地球大气层外看到的太阳 在地面看到的太阳 超高压水银灯(人造小太阳) 钨白炽灯 1.9109 nit 1.5109 nit 1.2109 nit (0.5~1.5)107 nit
例:图像与像素 一幅图像的像素为有限大,有限多。
实物的像素趋于无穷小。
一帧图像: 一幅平面图像上所有像素的集合。 图像的像素越小,像素密度越大,图像清晰 度越高,包含的信息量越多。可见,像素的概念
可描述图像所载的信息量。
静止平面图像: 每个像素的视觉特征(亮度和色彩)不随时 间变化,只与其所在的空间位置有关,可表示为 二维空间函数:
发光亮度:B = I / S = 52.3 ×104 / (0.25×d 2) = 6.66 ×1011nit
B 是地面上看到太阳亮度的 444 倍。
3、图像信号的基本参量 图像亮度:一幅图像的平均亮度,由图像电信号的直流成分决 定。只要改变图像电信号的直流成分,就可以改变 电视的亮度。因此,电视机有一个亮度调整。 对比度:在一幅图像中的最大亮度与最小亮度之比。 定义:
(4) 扫描参量 我国电视规定: 行周期:TH=64s,正程THS=52s,逆程THR=12s; 场周期:TV=20ms,正程THS=18.4ms,逆程THR=1.6ms; 每帧625行,正程575行,逆程50行。 每场312.5行,正程287.5行,逆程25行。
§1-2 黑白全电视信号
全电视信号:
(2) 光见度函数() ——人眼对不同波长光波的灵敏度函数。 在辐射功率相同的情况下,设人眼最敏感的,波长为 555 nm 的黄绿色光的敏感度为100%,用其余波长的敏感 度与555 nm 的黄绿色光的敏感度的比率得出()。
在人眼中有两种感光细胞:
杆状(圆柱)细胞:灵敏度高,用于感受弱光,无色彩感觉 锥状(圆锥)细胞:灵敏度低,用于感受强光,有色彩感觉 因此相对视敏曲线有两条,分别对应明暗视觉。用() 表示光见度函数,则有 0≤()≤1。 (3) 光通量 F
fH = 62525 = 312.550 =15625 HZ
(2) 奇数行扫描 隔行扫描要求两场的扫描线要均匀嵌套,给具体的电 子扫描增加了复杂性,因此要求:每帧的行数为奇数。 设一帧为5行,每场2.5行
奇数场和偶数场的场扫描电流波形相同。
(3) 偶数行扫描 设一帧为6行,每场3行
奇数场和偶数场的场扫描电流波形不一样。要产 生这样的电流波形是困难的,因此每帧扫描行数不采 用偶数行。
距太阳为75角的明朗天空
阳光照明的白雪 地球上所看到满月的表面 无月的夜空 人眼感觉最弱的发光物
1.5103 nit
3104 nit 2.5103 nit 10–4 nit 10–6 nit
一般CRT电视所能达到的亮度
300 nit
例:氦氖激光的亮度 波长 = 632.8 nm,功率 E =10-2W,发散角 = 1 m rad 由视敏曲线得 ()=0.24,光束直径 d =1 mm 光通量: F=685×0.24 × 10-2 =1.644 lm 发光强度:I = F/ = 1.644 / ( × 2 ) = 52.3 × 104 cd
主体信号——图像信号
辅助信号——复合同步信号、复合消隐信号、槽脉冲信号 1.2.1 主体信号——图像信号 1、图像信号及其特征 图像信号:从摄像管获得的电信号——亮度信号 灰度:介于黑白之间的亮度层次。 规定:亮度信号在全电视信号最大幅度的10%~75%之间。
亮度信号
亮度信号的特征: (1) 含直流、单极性 (2) 相邻两行或相邻两帧信号有很强的相关性。
e 为光波长在~+d内的辐射功率
定义: dF
( )e d
为光波长在~+d内的光通量(光辐射通量) ,总光通量为
F ( )e d
0


对可见光以外的电磁波,无论辐射功率有多大,光通 量都为零。光通量与人眼的特性有关,相同的光通量表示 视觉的亮度感觉相同。因此,可用光通量对可见光的亮度 进行计量。 光通量的单位: 流明(lumen, lm) 当=555nm时,F= E, 是比率常数。当辐射功率 E的单位为 “瓦特” 时, = 685。因此对单一波长的光 有 F = 685 () E (当 = 555 nm 时,1W = 685 lm)
非线性失真
无失真
失真
压缩失真
行扫描电流幅度小
场扫描电流幅度小
2、闪烁效应 实验指出,当传送图像画面的频率低于 46.8HZ 时,人眼会感到画面的亮度是闪烁的。
为了克服闪烁效应,电影将 24 帧/秒的每一帧连续出 现两次,使画面的频率变为 48幅 / 秒,从而消除了闪烁。 电视为了克服闪烁效应,将场扫描频率提高到50Hz 以上。这对逐行扫描将带来较大的问题。
1、摄像管与光电转换 摄像管:是将光信号转换成电信号的器件,由光学 成像系统、光电靶、电子扫描系统组成。
阴极射线管Cathode Ray Tube (CRT) 电源 E、负载 R、光电靶、电子束、阴极形成一个回路,光电 靶相当于一个电阻,其大小与电子束打击处的光照强度有关。
2、显像管与电光转换 显像管:是将电信号还原成图像信号的器件,由电子枪、荧 光屏、电子偏转扫描系统组成。
44104 50 / 2 =11MHZ 即如果用 50帧 / 秒,则需要11MHZ的频率带宽。 将产生两个方面的问题:设备复杂;频率资源利用 率低。 如果电视的拍摄是25帧/秒,要让模拟电视信号 每一帧重复一次是很困难的。
棋盘格图像信号
信号波形
理想波形
实际波形
两个像素占一个周期T
5、 隔行扫描 隔行扫描:将每帧扫描分为两场,第一场扫描像素的奇 数行;第二场扫描像素的偶数行。则每一场 扫描312.5行。 场扫描频率仍为50HZ,因每场扫描行数减少一半, 故电信号的频率可降低一半,使得最高频率为5.5 MHZ, 我国规定为 6 MHZ。 (1) 行扫描频率 隔行扫描使一帧图像分为两场传送,也分两场显 示(重现),则行扫描频率为
Y f ( x, y)
活动平面图像:每个像素的视觉特征都可随时间变化,即
Y f ( x, y, t )
静止图像的传送: 按顺序将所有像素的特征信息传送一遍
传送过程中,两边的开关必须密切配合。
上述传送图像的方法称为“扫描”
活动图像的传送: 要控制每个像素独立地随时间变化是很困难的,因为不可 能对每一个像素建立一个信号传送通道。如果每一个像素有 一个信号传送通道,每个通道需要有一套转换和还原系统。 如果采用扫描抽样的方式获得图像信息,就可以只用一 个信号通道,如果要求信息不损失地传送,在抽样时就需要 满足“奈奎斯特定理”。如果传送一帧的时间为 T,则 T 为 对一个像素信号的“抽样时间”。 为使传送的信号能不失真地还原出原图像,要求1/T 大 于像素变化最大频率的2倍(奈奎斯特定理)。 抽样和扫描传送的图像具有间断性,而实际要求在图 像还原时是连续变化的。
根据人眼特性进行的传送方案
视觉惰性: 人眼对亮度感觉的出现和消失有一个滞后时间 (暂留时间),约0.05s ~ 0.2s,只要两幅间断图像的 间隔时间小于这个时间,人眼就会感到画面是连续的, 变化的也是连续的,不会有间断的感觉。 只要按扫描的顺序还原每个像素,只要抽样速度 足够快,人眼就能感觉到正常的活动图像。 因此抽样时间 T 可由暂留时间来确定,而不用 奈奎斯特定理。
(5) 亮度 B
对一面光源,单位面积在与法线为 角的方向上的 发光强度为:
dI d F B cos dS cos 无关时,称为余弦辐射体。余弦辐射体从 各方向上看来都是一样的亮。太阳看起来是一个圆盘,而 不是一个球体,说明太阳的边缘与中心一样的亮,所以太 阳是一个余弦辐射体。
活动图像还原的真实感
当图像变化过快时,人眼对快速变化图像细节 的分辨能力下降,人眼看到的是不清晰的图像。如 果按奎斯特定理传送完整的图像信息,人眼看到的 图像仍是不清晰的。
因此,当图像变化过快时,在抽样时间不变时, 信息的传送率下降,故信息传送虽不完整,但并不 对视觉的真实感产生影响。
1.1.2 光电与电光变换
当 iH 0、iV 0时,则产生一行行的扫描线——光栅。
扫描光栅
1、逐行扫描 扫描行的顺序与像素行的顺序相同。扫描电流 波形为锯齿波。
电子扫描规定和要求
1、图像在扫描正程期间显示,在逆程期间,电 子束截止,没有电子打到荧光屏上。 2、THS > THR,TVS > TVR 3、扫描电流波形的正程要求为直线 当扫描正程波形不是直线时,将产生图像的 失真,称为非线性失真。 4、当扫描电流幅度不足时,将产生图像的压缩失真。
表示,电子束偏转的大小由iH的大小决定。
场偏转线圈:产生水平方向的磁场线,线圈中电流用iV
表示,电子束偏转的大小由iV的大小决定。
行偏转线圈
扫描线圈 场偏转线圈
磁场
当 iH0、iV = 0 时,只有一条水平亮线 ( iH在一定范围内变化)
当 iH =0、iV 0时,只有一条竖直亮线 ( iV在一定范围内变化)
(4) 发光强度 I 对一点光源,设其在某一方向上 d 立体角内的光 通量为 dF,则 定义: I
dF d
称为该方向上的发光强度
发光强度的单位为:坎得拉(candela、烛光、cd) 1cd = 1 lm / rad 是光度学中的基本单位。
最初规定:将鲸鱼油制成直径7/8英寸,1/6磅,点燃后,每 小时消耗 0.01714 磅时,在某一方向的发光强度为 1 个单位,称 为 1 烛光,这样的蜡烛称为标准烛。后来改用标准电灯,在1967 年规定了用铂制成的绝对黑体在 2042K 和101.325帕大气压下,面 积为1.666710–6m2,在法线方向上的发光强度为1 cd。
2、光度学基本概念 (1) 光辐射功率
设有一个光源,在波长为附近单位波长范围内的辐射功率 为 e ,则在~+d内的辐射功率为 e d ,总辐射功率为
E e d
0


在E 的大小一定的情况下,人眼感觉到的亮度并不确 定。E 是一个与人眼特性无关的量。 人眼对光源的明亮感觉还与光源的能量分布在那些波 长范围有关。人眼只有在可见光范围内才有“亮度”感觉。
3、一帧电视图像的像素
人眼在垂直方向上视觉的范围约为30º ,但清晰的区 域只有15º 。因此屏幕的高度应与人眼的夹角为15º ,屏幕 距人眼的距离约为屏幕高度的4~5倍。 正常人的眼睛最小分辨角为(视敏角)1'~2',因此 人眼能分辩的最大行数为
15 60 15 600行 1.5 1.5
显像管因电子束打 击荧光粉而发光。
电子束的强弱由图像电信号控制,打到 荧光屏上发出可见光,电子束的扫描由偏 转系统控制,并与摄像管的扫描同步。
1.1.3 电子扫描 电子束偏转控制器:偏转线圈
行(水平)偏转:使电子束在水平方向上往复运动。
场(竖直)偏转:使电子束在竖直方向上往复运动。
行偏转线圈:产生竖直方向的磁场线,线圈中电流用iH
我国电视规定:每帧扫描625行 每帧扫描有575行在场扫描的正程中,50行在逆程中。 按屏幕宽高比为 4 / 3 计算,一帧的像素为:
575 575 4/3 = 44104 个
4、 图像信号带宽
我国电视规定:为克服闪烁效应,每秒扫描 50 场
设图像为最细的棋盘格,即像素按黑白相间排 列,则图像电信号的最高频率为:
第一章 电视基础知识
电视:用电子学的方法传送和重现活动图像的技术 。
§1-1电子扫描
问题:怎样将图像信息变成电信号?
1.1.1 像素的概念
将一幅图像分解为许多细小的局部单元,将这种 小单元称为像素。即图像由像素排列而成,人眼通过 像素之间视觉感受的差异来分辨图像信息。 像素:组成一幅图像的基本单元,没有内部结构,只有 确定的亮度和颜色。
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