彩色电视机彩色全电视图像信号的模拟

彩色电视机彩色全电视信号的模拟

一、题目分析

1.1彩色电视机成像原理

彩色图像的显示基于三基色的原理。任何彩色都可以用红绿蓝三种基色配合而产生基本相同的视觉效果。彩色管不同于黑白管，它有产生三种基色的荧光屏和激励荧光屏上数以万计的三基色单元的三个电子束。只要三基色荧光粉所产生的光的分量不同，就可以形成自然界的各种彩色。如红绿蓝三基色的光通量依一定的比例配合就成白光。红和绿配合就成黄光。红和蓝配合就成紫光。只有红枪的电子束激发红粉则发红光，只有蓝束激发蓝粉则发蓝光，只有绿束激发绿粉则发绿光。如果三束电流均为零（荧光屏未被激发）则呈黑色。彩色电视信号传输不同于黑白电视之处就是除亮度信号外还有一个色度信号。彩色电视机接收这两个信号，经过处理后分解为三个（红、绿、蓝）亮度信号分别去调制相应的电子枪。

1.2彩色电视信号

电视制式：是电视广播与接收机之间约定的特定方式或技术规范。电视制式包括了黑白电视制式和彩色电视制式两部分。兼容制是指彩色和黑白电视节目可以互看的电视制式。兼容制彩色电视制式要求：（1）彩色电视信号中要有一个亮度信号，被黑白电视机接收显示黑白图像，又能被彩色电视机显示彩色图像的亮度；（2）彩色电视信号中应有反映图像彩色的色度信号，用来传送图像的彩色。（3）彩色电视机与黑白电视机采用相同的黑白制式。

世界上现存的三种兼容制彩色电视制式：1．NTSC制——正交平衡调幅制。这种制式

是用色差信号对彩色副载波进行正交平衡调幅，所以也称做正交平衡调幅制。该制式兼容性较好，具有图像色彩清晰及电视接收机电路结构简单等优点，但它对信号相位失真十分敏感，容易产生色调失真。采用NTSC制的国家和地区主要有美国、日本、加拿大、墨西

哥及中国台湾等。NTSC彩色电视制的主要特性是：一帧图像的总行数为525行，分两场扫描。行

扫描频率为15750Hz，周期为63.5μs；场扫描频率是60Hz，周期为16.67ms；帧频是30Hz，周期33.33ms。每一场的扫描行数为525/2=262.5行。除了两场的场回扫外，实际传送图像的行数为480行。2．PAL制,采用PAL制的国家主要有德国、芬兰、奥地利、中国等。3．SECAM制,采用SECAM的国家主要有前苏联、法国、东欧各国及部分非洲国家。

NTSC制、PAL制和SECAM制均可与黑白电视兼容，但因各种制式对色度信号传输处理的方式及解调电路存在差别，使得它们之间不能相互兼容。三种制式各有优缺点，所以它们能共存至今。

本题利用MATLAB强大的图像处理功能仿真彩色全电视信号，直观反映彩色全电视图像的信号特点。众所周知，在数学上，图像可以用矩阵表示出来，矩阵中元素表示图像中

的一个点，称为像素，图像的总像素等于矩阵中元素总的个数。对于灰度图像，矩阵元素的值等于对应像素的亮度值。通常规定的亮度取值在0~255之间，用来表示256级灰度，0表示最暗，255表示最亮，这样，一个像素就可以用8bit来表示。对于彩色图像，最常见的是RGB的表示格式，一个像素由红、绿、蓝3种颜色分量组合而成。相应地，表示像素的矩阵元素就是一个3元素组成的向量（R、G、B）。

全电视信号是电视视频基带内传输图像的复合信号。黑白电视的全电视信号包括：扫描逆程期间的行(水平)、场(垂直)扫描同步和消隐信号、扫描正程时间的黑白亮度信号。其中同步信号使收发的扫描同步，以保证接收图像的稳定重现；消隐信号用来消除回扫亮线干扰；黑白亮度信号供黑白或彩色电视机接收黑白电视图像。在彩色广播中，为了兼容黑白电视信号传输模式，不能直接将三基色矩阵作为三路信号传送，而需要将三基色信号转换为亮度信号Y和两个色差信号R0和B0。其中，两个色差信号使用正交平衡调制（NTSC）后与亮度信号叠加。由于电视图像信号是以行为周期的近似周期信号，在频谱上看，其信号能量集中在以行频率15625Hz为间隔的谱线附近。这样，如果选择正交平衡调制载波频率为f c=(n+0.5)f h，则能避免与亮度信号的干扰。彩色电视的全电视信号除有同于黑白电视的内容外，还有色同步信号和色度信号。其中色同步信号在扫描逆程期间传送，在NTSC 制和PAL制中,它提供接收解码器所需色副载波的频率和相位基准。色度信号在扫描正程期间和黑白亮度信号同时传送，它占用视频基带的高频端少部分。经解调得到两个色差信号，黑白亮度信号占用视频基带自低频以上的大部分，除供黑白电视机接收黑白图像，还和两个色差信号一起进入矩阵网络在接收端，将解调出来的亮度信号Y和两个色差信号恢复为三基色信号，最后分别送入彩色电视机的R、G、B3个电子枪，产生彩色图像。

二、数学原理

（R、G、B）转换为亮度信号Y和两个色差信号R0和B0转换方程为：

Y=0.30R+0.59G+0.11B

R0=R−Y

B0=B−Y

为了避免过调制，实际传输过程中还需要对两个色差信号进行压缩，得到压缩色差信号V和U为：V=0.877R0；U=0.493B0。在NTSC制式中，副载波频率选为f c=295.3f h= 4.4296875MHz，NTSC制式中彩色全电视信号中图像信号S表示为S=Y+Vcos2πf c t+ Usin2πf c t

设仿真采样率为20MHz，这样可以仿真计算的最高频率为10MHz。一行中的图像信号传输时间为49μs,故每行图像的相应采样点数为980点。如果使用的图像矩阵中每行元素数不为980，那么可用插值方法得出所需的采样点数。

消隐脉冲时长为15μs，用300个采样点表示，其中设第103~197点表示4.7μs的行同步脉冲，第220~265点表示色同步载波，其余表示消隐脉冲。色同步载波设为c t=0.12cos2πf c t

在仿真编程中，还需要将图像矩阵中的像素取值范围（0~255）转换为视频信号规定的表示范围（0.125~0.75）以及进行相应的数据类型转换。得到的彩色电视信号图像如下图：

三、解题过程

3.1构建彩色RGB图像，并保存为名为colorbar的tif格式图像

clear;

r=[1 1 0 0 1 1 0 0];

g=[1 1 1 1 0 0 0 0];

b=[1 0 1 0 1 0 1 0];

n=30;

s=ones(n,1);

r=s*r;

r=reshape(r,1,n*8);

g=s*g;

g= reshape(g,1,n*8);

b=s*b;

b= reshape(b,1,n*8);

m=200;

s=ones(m,1);

r=s*r;

g=s*g;