通信工程师设备环境考试视频技术基础

  1.视频技术基础
  视频技术是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行记录或远距离传输。然后还原为光图像的一门技术。
  (1)视频信号与图像扫描
  视频技术中实现光学图像到视频图像信号转换的过程通常是在摄像机中完成的，当被摄读物通过摄像机镜头成像在摄像器件的光电导层时，光电靶上不同点随照度不同激励出数目不等的光电子.从而引起不同的附加光电导产生不同的电位起伏，形成与光像相对应的电图像。该电图像必须经过扫描才能形成可以被处理和传输的视频信号。
  客观录物图像对于人眼的感觉来说，可以被看成是由很多有限大小的像素组成的，每一个像素都有它的光学特性和空间位置，并且随时间变化。根据人眼对于图像细节的分辨能力和对图像质录的要求，要得到较高的图像质量，每幅图像至少要有几十万个以的像素。显然，要用几十万个传输通道来同时传送图像信号是十分困难的，因此必须采用某种方式完成对图像的分解与变换，使代表像素信息的物理量能够用时间的一维函数来表示。在电视系统中，对景物图像的像素分解与合成以及图像的时空转换是由扫描系统完成的。
  利用人眼的视觉惰性，在发送端可以将代表图像中像素的物理量按一定顺序一个个地传送，而在接收端再按同样的规律重显原图像。只要这种顺序进行得足够快，人眼就会感觉图像上的所有像素在同时发亮。在电视技术中，将这种传送图像的既定规律称为扫描。如图2.1所示，摄像管光电导层中形成的电图像在电子束的扫描下顺序地接通每一个点，并连续地把它们的亮度变化转换为电信号；扫描得到的电信号经过单一通道传输后，再用电子束扫描具有电光转换特性的荧光屏，从电信号转换成光图像。在通常情况下。目前电视系统普遍使用的电真空摄像和显像器件均采用电子束扫描来实现光电和电光转换而随着CCD/CMOS摄像机和平板显示器件的投人使用，利用各种脉冲数字电路便可实现上述转换。对每一幅图像，电视系统是按照从左至右、从上到下的顺序一行一行地来扫描图像的。对于每--幅图像来说，扫描行数越多，对图像的分解力越高图像就越细腻,但同时视频信号的带宽也就越宽，对信道的要求也越高。

  和在电影中一样，为丫能够得到连续的、没有跳跃感的活动图像，视频系统也必须在每秒内传输20帧以上的图像，以满足人眼对图像连续感的要求。由于历史上的原因，目前国际上存在着25帧/秒和30帧,/秒两种帧频制式。然而，每秒20-30帧的图像显示速率尚不能满足人眼对图像闪烁感的要求。为了在不增加电视系统传输帧率和带宽的条件下减小闪烁感，现有各种制式的电视系统均采用了隔行扫描方式。隔行扫描方式将一侦电视图像分成两场，第一场传送奇数行,称为奇数场；第二场传送偶数行，称为偶数场。隔行扫描方式的采用较好地解决了图像连续感、闪烁感和电视信号带宽的矛盾。
  在电视系统中除图像信号本身以外，还需要传送同步信号来标记图像行、场扫描的开始与结束；另外，在重构图像过程中，在行、场扫描的逆程需要消隐脉冲来关闭电子束。图像信号、同步信号和消隐信号经过合成，构成复合电视信号。
  (2)彩色电视系统
  根据人眼的彩色视觉特性，在彩色重现过程中并不要求还原原景物的光谱，重要的是获得与原景物相同的彩色感觉。彩色电视系统是按照三基色的原理设计和工作的。三基色原理指出，任何一种彩色都可由另外的三种彩色按不同的比例混合而成。这意味着，如果选定了三种标准基色，则任何一种彩色可以用合成它所需的三基色的数谩来表示。彩色电视系统正是基于人眼机能和三基色原理，设计出了彩色摄像机和显示器。
  在通常的彩色电视摄像机中，模仿人眼中的三种锥状细胞利用三个摄像管分别拾取录物光学图像中的红、绿、蓝分ft,形成彩色电视信号中的红、绿、蓝三个基色分量。加性混色法则构成了显示器彩色显示的基本原理。在彩色荧光屏的内表面涂有大童的由红、绿、蓝三种颜色为一组组成的荧光粉点。荧光粉是一种受电子轰击后会发光的化合物.其发光强度取决于电子束的强度。图像重现时，将接收到的彩色电视信号中的红、绿、蓝分量分别控制三个电子枪轰击相应颜色的荧光粉点发光。由于荧光粉点很小，在一定距离观看时，三种基色发出的光经过人眼的混合作用，使我们看到均匀的混合色。最终人眼所看到的颜色，则是由三种基色的比例所决定的。在混色原理方面，主动发光型的平板显示器件（如等离子显示）大致与彩色荧光屏相同；但被动发光型的平板显示器件（如液晶显示），其三种基色是由三种颜色的滤光片在白色背光的照射下发出的，三种基色信号通过控制每种颜色滤光片的通光量实现混色。平板显示器件中图像重建过程的扫描功能，通常是在脉冲数字电路作用下完成的，不再需要电子束的聚焦偏转.非常容易由集成电路加以实现。
  在彩色电视发展的初期，由于巳经存在了相巧数量的黑白电视机和黑白电视台，为了保护消费者和电视台的利益并扩大彩色电视节目的收视率，要求彩色电视系统的设计必须考虑与已有黑白电视的兼容。为此，在彩色电视系统屮不是传送彩色电视信号屮的红、绿、蓝三个基色分量，而是传送一个亮度分量和二个色差分量。在发送端，亮度分量和二个色差分量通过对红、绿、蓝三个基色分量的矩阵变换得到；接收端再通过矩阵逆变换还原成三个基色分量显示。当黑白电视机接收到彩色电视信号时，它只利用其亮度分请实现黑白图像显示；而彩色电视机接受黑白电视信号时，它将黑白电视信号当做其亮度信号，同样实现黑白图像显示，进而实现彩色电视与黑白电视的上下兼容。在彩色电视中由三种基色k，g，b构成亮度信号y的比例关系如下：

  从数据压缩的角度来看，也希望传送的是Y，U，V而不是因为Y，t，V之间是解除了一定相关性的三个最。电视系统中的一个重大问题就是如何用一个通道来传送上述三个信号Y，l，V。在模拟电视阶段，对于这三个信号的不同传输方式形成了三个不同的彩电制式：PAL制、NTSC制和SECAM制。这三种制式之间的不同之处在于对色度信号传送所采取的不同处理方式。
  为满足彩色电视与黑白电视的兼容性，则需在原有黑白电视信道带宽的条件下，同时传送亮度信号y和两个色差信号由于人眼对于彩色细节的分辨力低于对亮度细节的分辨力，因此色差信号U和VnJ以用比亮度信号窄的频带来传送，在我国的PAL-D制彩电标准中，亮度y的带宽为6MHz.L；和V的带宽为1.3MHz。
  (3)视频信号频谱特点
  电视系统是通过行、场扫描来完成图像的分解与合成的，尽管图像内容是随机的，但视频信号仍具有行、场或帧的准周期特性。通过对静止图像电视信号进行频谱分析可知，它是由行频、场频的基波及其各次谐波组成的，其能量以帧频为间隔对称地分布在行频各次谐波的两侧。而对活动图像的电视信号,其频谱分布为以行频及其各次谐波为中心的?簇簇连续的梳状谱。对于实际的视频信号，谐波的次数越高，其相对于基波振幅的衰减越大。
  在整个视频信号的频带中，没有能童的区域远大于有能量的区域。根据这一性质，模拟彩色电视系统利用频谱交错原理将亮度信号和色差信号进行半行频或1/4行频间置，完成彩色电视中亮度信号和色度信号的同频带传输。我国采用的PAL-D制彩色电视信号中亮度信号带宽为6MHz；在美、日等国采用的NTSC制电视系统中亮度信号带宽为1.2MHz。由于人眼对于色度信号的分辨率远低于对亮度信号的分辨率，因此在彩色电视系统中色度信号的带宽一般均低于1.3MHz,且调制在彩色副载频上置于亮度信号频谱的高端，以减少亮色信号之间的串扰。

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