电视技术基础知识(一)

第一篇 基础知识


1． 扫描与电视信号

电视是采用无线电电子学的方法实时地传送活动图像的。活动图像包含着景物的亮度、色调和色饱和度信息，为了简单地说明问题，我们把活动景象简化成平面黑白图像，再把平面图像分解成许许多多的像素，每个像素都包含着瞬息万变的明暗不同的信息。要把如此多像素的信息同时转变成电信号传送出去，需要与像素同样多的传输通道，这在技术上很难实现。好在人的眼睛有视觉暂留特性，即图像消失后仍保留约0.1的时间。电视就是利用视觉的这一特性，采用扫描的方法，把图像中的像素按照时间顺序逐个地变成电信号进行传送和接收，当传送和接收的速度足够快时，在接收端就可以看到一幅完整的图像，把一幅幅图像连续不断地传送和接收，就看到了活动的图像。电子扫描是完成电视图像的分解与合成的基本手段。电子扫描的方式可分为直线扫描和非直线扫描（如原扫描、螺旋扫描）。电视技术为了充分利用矩形屏幕，采用直线扫描。直线扫描可分为逐行扫描和隔行扫描。

a. 逐行扫描

电子束在摄像管光电靶或显象管荧光屏从左到右、从上到下一行挨一行地扫描称为逐行扫描。其中电子束沿水平方向的扫描叫做行扫描。沿垂直方向的扫描叫做场扫描。行扫描的速度远远大于场扫描。行场扫描同时作用的结果就在电靶或荧光屏上得到了图像。行、场扫描是分别经过两个阶段来完成的。电子束从左到右的扫描阶段为行扫描正程。从右到左的回扫阶段为行扫描逆程。从上到下的扫描阶段为场扫描正程。从下到上的回扫阶段为场扫描逆程。在电视技术中，扫描正程用来传输图像信息，扫描逆程则使电子束截止，以免对正程图像形成干扰。逆程的时间并不浪费，用来传输辅助信息，例如同步和消隐信号。为了得到有效的扫描光栅，扫描正程占据整个扫描周期的大部分。

b. 隔行扫描

把一帧图像分成两场进行扫描，电子束首先扫描一幅图像中的1、3、5、7等奇数行，形成奇数场图像，然后再扫描该帧图像中的2、4、6、8、.等偶数行，形成偶数场图像。奇数场和欧数场图像镶嵌在一起组成了一幅完整的图像，这种扫描方式称之为隔行扫描。由于人的眼睛有一定的视觉惰性和分辨力，为了不产生亮度闪烁感，并保证足够的清晰度，场扫描频率需在48Hz以上，扫描行数需在500 以上。因此逐行扫描图像信号的带宽很宽，设备非常复杂。隔行扫描方式把一帧图像分为两场来扫，帧扫描周期是场扫描周期的两倍，这样帧扫描频率由逐行扫描方式的与场扫描频率相同下降为场扫描频率的一半。同样，行扫

描频率也减低到逐行扫描时的一半，电视图像信号的带宽也减小了一半，而每帧画面的扫描总行数是两场扫描总行数之和，即与逐行扫描时相同。因此各行扫描即保持了逐行扫描的清晰度，又达到了降低信号带宽的目的。

c. 电视帧频、场频的确定


视觉惰性（视觉暂留特性）是近代电影与电视得以实现的基础。实验得知如果每秒换帧24次就能很好地反映一般运动速度的活动场景。使人产生连续感。另外，还必须免除图像的闪烁感。人在较低频率的光脉冲刺激下，会产生一明一暗的闪烁感，这是有光和无光在亮度感觉上的差别所致。把闪烁的频率提高到临界闪烁频率（45.8Hz）以上，由于视觉惰性的作用就感觉不到闪烁了。因此，电影利用光活门的作用，使每帧画面闪亮两次，达到每秒闪亮48次，超过临界闪烁频率。在电视技术中，采用隔行扫描，一帧图像分两场传颂，选择帧频率为25 Hz（或30 Hz），场频率为50 Hz（或60 Hz），正好可以满足人眼的要求。

d. 扫描行数与垂直分辨力

扫描行数的选择以人眼的分辨力为依据。为了兼顾清晰度和带宽，一般扫描行数选在500—600之间。我国的标准扫描行数为625线。扫描行数的多少直接决定了电视图像的垂直分辨力，扫描行数越多，其垂直方向分辨细节的能力就越强。但是图像的垂直分辨力并不等于扫描行数，而是小于扫描行数。首先在场逆程时被消隐的行数不分解图像，将此部分除掉。我国标准扫描行数为625线，逆程占8%左右，相当于50行，有效行数只有575行。

e. 图像信号带宽与水平分辨力

电视系统沿图像水平方向所能分解的像素数，称之为电视系统的水平分辨力。它主要取决于扫描电子束的直径和图像信号的带宽。我国规定电视图像信号的带宽为6Mhz.因人眼的水平视角比垂直视角大，为保证看电视时不用转头就可以看清整个屏幕，电视屏幕的宽高比定为 4：3。


f. 扫描的同步


在电视系统中，为了正确地重现发端的图像，收端与发端的扫描点（像素）在时间上和屏幕几何位置上一一准确对应。这就要求收端与发端的扫描频率相同、起始相位相同、扫描波形一致，即收端与发端的波形必须同步。当扫描频率不同时，接受端图像中像素的排列将发生混乱，以至无法重显图像。例如行扫描频率不同，当收端频率略低于发端时，收端第一行右边将出现发端第二行左边的像素，收端第二行右边将又出现发端第三行左边的像素，依次类推，整个画面就会向左扭曲。当收端频率略高于发端时，情况正好相反。若收端行频与发端相差较多，重现图像将变得杂乱无章，无法辨认。又如，收、

发端场扫描频率不同，当收端场频低于发端时，收端第一场的下边将会出现发端第二场上边的头几行像素，收端第二场的下边将会出现发端第三场上边的更多行像素，这样收端重现图像就会逐场向上滚动。反之图像向下滚动。当扫描频率相同，起始相位不同时，收端图像中各像素的位置是稳定的，但整幅图像被撕裂位移而造成畸变。为了解决收、发端扫描的同步问题，须在图像信号中加入同步信号一起传送，因此，发送端在行扫描逆程加入行同步脉冲，在场扫描逆程加入场同步脉冲，接受端只有在行、场同步脉冲到达时才开始逆程期。这样就保证了收、发端扫描电流具有相同的频率和相同的起始相位。


g. 复合同步脉冲与复合消隐脉冲


由上述可知，收、发端扫描的同步在电视中具有重要的意义，为此，设立了行、场同步脉冲信号，分别解决行、场扫描的同步问题。两者简单的组合，就构成简单复合同步信号。复合消隐脉冲的产生由于扫描光栅在正程传输图像信息。而在逆程期间是不能显示的。为此，需要设立行、场消隐脉冲，使扫描逆程期间的电子束截止。


2． 彩色原理


大量实验表明，把红、绿、蓝三种色光按不同比例混合在一起，就可以配出自然界中绝大部分彩色，因此，红、绿、蓝成为三基色。三基色是相互独立的，其中任何一个基色都不能有另外两种基色配出，这样就可以保证配色范围是最大的。利用三基色的不同组合模拟出自然界无数彩色的原理称之为三基色原理。根据三基色原理，自然界中的各种颜色不用一一传送，只传送三基色的信息就可以了。这就为彩色电视进行彩色分解与再现奠定了理论基础。把三种基色光按不同比例相加而获得不同彩色的方法，称之为相加混色法。相加混色的配色关系如下：

红 + 绿 + 蓝 = 白

红 + 绿 = 黄

绿 + 蓝 = 青

蓝 + 红 = 紫

从这些关系可以推出：

红 + 青 = 白

绿 + 紫 = 白

蓝 + 黄 = 白

象这样能够加出白色的两种彩色称之为互补色。红与青互补，绿与紫互补，蓝与黄互补。

与相加混色法不同，绘画印刷等颜料配色采用的是相减混色法。就是在白色光中扣除某些颜色而获得所需要颜色的方法。

彩色电视采用相加混色法来达到色彩的还原。


3． 彩色电视制式


彩色电视是在黑白电视的基础上发展起来的。这就对彩色电视提出了额外的要求，即与黑白电视相互兼容的问题。所谓爱相互兼容，就是指电视接收机能够兼顾接受彩色和黑白信号。黑白电视机能够接受彩色电视信号，看到的是黑白图像，称之为兼容；彩色电视机能接受黑白电视信号，看到的

也是黑白信号，称之为逆兼容。兼容制彩色电视就是建立在此要求的基础之上的。为了实现彩色电视与黑白电视的相互兼容，需要解决以下技术问题。


a. 色度编码


黑白电视传送的是亮度信号。只反映图像亮度（明暗、黑白）的变化。而彩色电视需要用三基色信号来传送彩色图像，为达到相互兼容的目的，必须


对三基色进行特殊的加工处理，产生适合黑白电视机用的亮度信号和反映彩色的色度信号，这就是色度编码。



为了便于描述，我们称亮度信号为Y，红、绿、蓝三基色为R、G、B。在


R、G、B任何一个基色信号中，都包含亮度、色调和饱和度三种信息。根据亮度方程，R、G、B三基色，按以下比例就可以得到亮度信号，


Y= 0.3R+0.59G+0.11B



有了亮度信号之后，其它反映彩色的信号就不该含有亮度信号，而只表示色度。因此，把三基色分别减去亮度信号，得到三个色差信号，



R-Y= 0.7R-0.59G-0.11B



B-Y= -0.3R-0.59G+0.89B



G-Y= -0.3R+0.41G-0.11B



由于G-Y信号的数值比较小，作为传输信号对改善信噪比不利，所以通常采用R-Y、B-Y两个色差信号。G-Y信号可以由R-Y、B-Y两信号混合配出。


G-Y= -0.51(R-Y)-0.19(B-Y)



经过色度编码，三基色RGB变成了亮度信号Y和两个色差信号R-Y、B-Y，他们具有以下几个特点：


1．Y信号只带有亮度信息，不包含色度信息，它与黑白全电视信号具有相同的行、场扫描频率和频带宽度。

2．R-Y信号和B-Y信号是相互独立的两个色差信号。它只有色度信息，不包含亮度信息。色差信号变换时只改变颜色，不影响图像的亮度，这叫做亮度恒定原理。



3．在传送黑白信号时，三个基色信号相等。即R=G=B，此时两个色差信号R-Y、B-Y都等于零。没有色度信息，不会对黑白图像形成干扰。



b.频带压缩：



黑白电视只传送一个亮度信号，其带宽为6MHz（我国标准）。彩色电视需要传送一个亮度信号和两个色差信号，如果每个信号的带宽都为6MHz，将占据三倍于黑白电视的带宽。这样大的带宽不仅浪费信道容量，并且在实现起来也比较困难。所以就产生了频带压缩的概念来解决带宽的问题。


信号格式：

模拟信号



a. 分量信号：在上面所讲的色度编码一章中的Y、R-Y、B-Y信号格式就是分量信号。在标示上也为 Y、U、V。

b. Y/C信号：在分量信号基础上产生出来的。为了降低生产成本，而又不使图像质量有太大降低，进而在分量信号基础上保留其亮度信号 Y ，



把两个色差信号进一步合成一个色度信号，用C来表示。故称之为Y/C信号。通常又叫做S-VIDEO信号。


c. 复合信号：亮度信号Y和色

度信号C又进一步合成另外一种信号格式。此信号格式由携带图像信息的图像信号和保证正确显象的复合同步脉冲与复合消隐脉冲所组成。又称全电视信号。


以上三种信号格式以分量信号为最好，Y/C信号次之，复合信号又差于Y/C信号。