第2章視覺特性與電視顯像原理2.1人眼的生理特性2.2電視傳像原理2.3電視掃描2.4同步和消隱2.5全電視信號波形、標準及其調制極性2.6電視圖像信號及其頻譜2.7人眼視覺特點與電視標準的關系

2.1人眼的生理特性

2.1.1眼睛的構造及功能

電視與人眼的視覺特性有著密切的關系。電視圖像質量的好壞，需要多種儀器進行測量、比較和鑒定，但最終還是供人觀看，由人眼來鑒定。因此電視系統(tǒng)的設計應精確地按照人眼的視覺特性，合理地選擇參數。圖2-1人眼結構簡圖2.1.2明視覺、暗視覺

我們知道，視覺效應是由可見光刺激人眼而引起的。圖2-2相對視敏曲線2.1.3彩色視覺

2.1.4人眼的分辨力

人眼的分辨力是指人眼辨別圖像上相鄰兩個細點、細線的觀察能力。

圖2-3人眼的分辨力定義：眼睛對被觀察物體上相鄰兩點圓心或兩線中心之間的視角θr(單位：分)的倒數。

分辨力（視覺靈敏度）

(2-1)在電視技術中正是根據視角θr來決定掃描行數的。由于人眼視覺清晰區(qū)域的垂直視角為15°，因此人眼在垂直方向能清晰地分辨的線條數為2.1.5人眼的視覺惰性和臨界閃爍頻率

1.視覺惰性

圖2-4所示是光脈沖及其引起的主觀亮度感覺。圖2-4人眼的視覺惰性

2.臨界閃爍頻率

臨界閃爍頻率fc與很多因素有關，其中最主要的是與

光源的亮度Bm有關，它們之間的關系可用下面的經驗公式表示

fc=9.61gBm+26.6

(Hz)2.1.6人眼的視野和立體感

1.視野

當眼睛固定不動時所能看到的外界的全部范圍稱為視野。人眼的視野是很開闊的，且其范圍不是圓形或正方形，而略呈橫的橢圓形，其寬高比為16∶9。如圖2-5所示。圖2-5人眼的視野

2.立體感

在生活當中我們都有這樣的體會，當一幅清楚的圖像呈現在寬的視覺場時，人眼將不能區(qū)分被顯示的圖像空間和觀看者所處的空間，這將使觀看者幾乎忘記了這是由顯示產生的圖像，而獲得逼真的立體視覺效果。

2.2電視傳像原理

2.2.1圖像的特點與組成

由圖2-6可見，像素具有單值的光特性(亮度和色度)和幾何位置，它是圖像信息單元。圖2-6圖像與像素的關系2.2.2圖像的順序傳送

圖像的順序傳送就是在發(fā)送端，把被傳送圖像上各像素的亮度、色度按一定順序，逐一地轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，并依次經過一個通道發(fā)送；在接收端，再按相同的順序，將各像素的電信號在電視機屏幕相應位置上轉變?yōu)椴煌炼取⑸鹊墓恻c。圖2-7順序傳送制2.2.3圖像的攝取與重現

1.攝像管與光電轉換

圖2-8所示為光電攝像管，屬電真空器件。圖2-8攝像管攝像原理構造圖

2.顯像管與電光轉換

電視顯像管中應用的是電光效應，它是電視接收機內最主要的部件，其管內結構有電子槍和熒光屏，管外有偏轉線圈。圖2-9黑白顯像管結構示意圖2.3電視掃描

2.3.1掃描方式

2.3.2逐行掃描圖2-10逐行掃描電流波形

1.電子束偏轉基本原理

1)行掃描

通常我們把水平方向的掃描叫做行掃描，其中每一行稱為掃描行，每個掃描行是由行正程掃描和行逆程掃描所組成，如圖2-11(a)所示。圖2-11逐行掃描光柵

(1)行正掃。

行正掃描沿水平方向從左到右的掃描，如圖2-11(a)中1→2、3→4等實線所示的掃描稱為行正程掃描，簡稱行正程。行正程的時間稱為行掃描正程時間，用THS表示。

(2)行回(逆)掃。

行回(逆)掃描沿水平方向從右至左的掃描，如圖2-11(a)中2→3、4→5等虛線所示的掃描稱為行逆程掃描，簡稱行逆掃或行回掃。行回掃所需的時間稱為行掃描逆程時間，用THR表示，即

THR≤THS假如只在顯像管的行偏轉線圈中通入行掃描電流，即當水平掃描重復進行時(若無垂直掃描時)，則在屏幕中間顯示一根水平亮線，如圖2-12(a)所示。圖2-12光柵形狀(a)只有行掃描；(b)只有場掃描；(c)行、場掃描同時存在

2)幀掃描

(1)幀正程。

(2)幀回(逆)掃。

在逐行掃描中，第二幀的光柵應該與第一幀的光柵重疊，這就要求TV是TH的整數倍。只有這詳才能保證掃完一幀時，電子束恰好又返回到起始掃描的位置，顯然場周期和行周期的關系應為

2.掃描電流的非線性對顯示圖像的影響

由于掃描電子束只在掃描正程期間傳送圖像信號，因此在正程期間要求掃描速度均勻，這就要求流過偏轉線圈的電流線性良好，否則重現圖像將產生非線性失真。圖2-13掃描電流與重現圖像的關系(a)行、場線性掃描，圖像無失真；(b)行掃描非線性，產生左伸、右縮的非線性失真；(c)場掃描非線性，產生上拉、下壓的非線性失真圖2-14掃描電流幅度不足時產生的失真(a)行掃描幅度?。?b)場掃描幅度小2.3.3隔行掃描

在電視技術中，為了壓縮電視系統(tǒng)的帶寬(在后面圖像清晰度中講述)，而又不降低圖像的清晰度，同時還要消除閃爍現象，在電影放映的啟示下，人們提出了隔行掃描的辦法。

圖2-15隔行掃描重現圖像示意圖(a)一幅圖像；(b)奇數場圖像；(c)偶數場圖像

1.隔行掃描光柵的形成

為了說明隔行掃描的原理，圖2-16繪出了隔行掃描光柵構成的示意圖。圖2-16隔行掃描光柵圖2-17為隔行掃描原理示意圖，由圖可見，隔行掃描有幀場之分，兩者含義不同。場掃描是指每垂直掃描一次，由規(guī)定的1/2掃描行組成的稱之為場；而幀是由規(guī)定的全部掃描行組成的。圖2-17隔行掃描原理圖(a)隔行掃描光柵；(b)隔行掃描行、場電流波形

2.隔行掃描的條件

實現隔行掃描的條件是

式中,fH為行掃描頻率；fV為場掃描頻率；Z為一幀光柵總行數；n為整數。

3.隔行掃描的優(yōu)缺點

1)優(yōu)點

(1)解決了頻帶寬度與清晰度的矛盾。

(2)電視設備簡化。

2)缺點

(1)產生“并行”現象。

(2)視在“并行”。

(3)行間閃爍。

(4)垂直邊沿鋸齒化。

(5)爬行效率。2.4同步和消隱

2.4.1同步的作用

1.頻率不同步

當收、發(fā)掃描頻率不同步時，重現的圖像不穩(wěn)定，甚至不能重現圖像。重現圖像被破壞的程度，因行、場頻率及其不同步的程度而異。圖2-18場頻不同步時的異常畫面當收、發(fā)行頻不同步時，屏幕上出現歪斜(粗細不等、方向不一、疏密不同)，而且不穩(wěn)定的行消隱黑條紋，圖像被“撕裂”無法重現。圖2-19行頻不同步時的異常畫面(a)fH低；(b)fH高

2.相位不同步

當收、發(fā)端掃描頻率相同，起始相位不一致時，即收、發(fā)端掃描對應的行、場起始和終止位置不相同時，會引起圖像失真或不穩(wěn)定現象出現。例如，收、發(fā)掃描相差半行時間會造成圖像左、右分裂，相差半場時間會造成圖像上、下分裂，如圖2-20所示。圖2-20相位不同步時的收發(fā)端圖像(a)正常圖像；(b)行掃描相位相差半行時；(c)場掃描相位相差半行時2.4.2行、場同步脈沖

行同步脈沖是一個矩形脈沖，安排在行消隱期內，行同步脈沖上升沿控制接收端行逆程的起始點，由于此信號只供接收端同步之用，不能在屏幕上顯示出來，所以應在行消隱開始以后發(fā)出。圖2-21一行周期內電視信號波形和行同步脈沖信號相似，場同步脈沖也應在場消隱信號出現后發(fā)出，且比場消隱信號電平高些，為了與行同步脈沖信號區(qū)別，以便接收機能利用微分和積分電路將二者分離開，場同步脈沖信號的高度與行同步脈沖信號相同，但寬度遠大于行同步脈沖信號寬度，一般為2.5~3H。如圖2-22所示。通常將行同步脈沖信號與場同步脈沖信號混合在一起稱為復合同步脈沖信號。圖2-22場消隱期間的同步信號2.4.3槽脈沖和均衡脈沖

1.槽脈沖

在現代模擬電視系統(tǒng)中，提取行同步信息的方法，是利用鑒相或微分電路提取行同步脈沖的前沿。圖2-23同步分離原理框圖及波形(a)分離電路原理圖；(b)各點波形

2.均衡脈沖

由于現代模擬電視系統(tǒng)一般采用隔行掃描，掃描行數為奇數，每場均有半行存在，相鄰兩場掃描的起點和終點位置都不相同，所以，在接收端用積分電路取出場同步時，奇數場與偶數場的同步在時間上有半行的時間差，這半行之差是由奇數場和偶數場的同步脈沖來保證的，因此奇、偶場的復合同步脈沖的形狀是不同的，如圖2-24所示。圖2-24相鄰場同步積分波形誤差圖2-25改進后的復合同步信號及波形2.4.4消隱的作用

消隱在電視系統(tǒng)中也很重要，它關系到圖像能否正常傳送。圖2-26復合消隱脈沖信號2.5全電視信號波形、標準及其調制極性

2.5.1黑白全電視信號波形

將圖像信號、復合同步、復合消隱、槽脈沖和均衡脈沖等疊加，即構成黑白全電視信號，通常也稱其為視頻信號，其波形如圖2-27所示。圖2-27黑白全電視信號2.5.2全電視信號的標準

在圖2-27中所示的黑白全電視信號是負極性的信號，也就是說，它是信號電平越高則圖像越暗的信號。根據電視標準規(guī)定，同步脈沖的峰值電平為100％，消隱脈沖與黑色電平為75％，白色電平為12.5％±2.5％，同步脈沖的幅度占整個信號峰值幅度的25％。2.5.3電視圖像信號的基本參數

1.亮度

亮度通常是指單位面積的光通量。因為單位面積光通量愈大，人眼感覺愈明亮，所以也可以說，亮度是人眼對光的明暗程度的感覺。亮度常以B表示，光通量的單位是燭光(cd)，亮度的單位是尼特(nit)或熙提(sb)，它們之間的關系

是：

1nit=1cd/m2，1sb=1cd/cm2

由于1m2=104cm2，所以1sb=104nit。

2.對比度

對比度是圖像景物的最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比。以字母K表示對比度時，

3.灰度

經理論分析可知，人眼所能分辨的亮度層次為

式中,δ是人眼對亮度差的分辨力，一般在0.02~0.05范圍內取值，若取δ＝0.05，則可算出對比度K＝50時N=78，K＝100時N=92。2.5.4全電視信號調制極性的選擇

在圖像信號的調制中需要考慮的問題是調制極性，即以正極性的還是以負極性的全電視信號來調制圖像載波。

2.6電視圖像信號及其頻譜

2.6.1圖像及其電信號

圖像信號是由攝像管經電子束掃描，將明暗不同的各像素的亮度按時間順序轉變?yōu)殡娦盘?，因此圖像的電信號是時間的函數。由于圖像亮度只有正值沒有負值，因此圖像信號是單極性的信號，其幅度與對應像素的亮度成正比，其寬度與圖像的內容相對應，粗大的輪廓對應于較寬的脈沖，細微的細節(jié)對應于較窄的脈沖。圖2-28單方向突變的電視圖像亮度信號波形及頻譜2.6.2圖像信號的頻譜

例如傳送一幅亮度在水平方向突變的簡單圖像，如圖2-29(a)所示，所得到的電信號便是按行頻fH重復的周期性方波，即周期為TH的行頻脈沖，它可以用行頻的基波及各次諧波的總和來表示。其復數形式的傅里葉級數表示式為

式中，為復振幅，包括振幅和相位；ωH為行頻角頻率。所得的振幅頻譜是離散的線狀頻譜，相鄰譜線間距為行頻fH。圖2-29兩種簡單圖像及其電信號復數形式的傅里葉級數表示式為

式中為復振幅，包括振幅和相位；ωV為場頻角頻率。如果圖像亮度在水平及垂直方向均有變化，經行、場掃描形成的電視圖像信號，則可視為場頻信號對行頻信號的幅度調制。雖然實際的圖像亮度分布是不規(guī)則的，但不外乎是這些簡單分布的復雜組合，它具有二維傅里葉級數形式，則圖2-30圖像信號的頻譜分布

2.7人眼視覺特點與電視標準的關系

2.7.1寬高比

寬高比是指屏幕寬度和高度的比例關系，設屏幕的寬度為W，高度為H，則寬高比為。圖2-31

16∶９寬屏幕廣角模式2.7.2場頻的選擇

在廣播電視中，選擇場頻時應考慮到不出現光柵閃爍，不易受干擾，傳送活動圖像時有連續(xù)感覺和圖像信號占用頻帶不至太寬等因素。2.7.3掃描行數的選擇

1.垂直分解力

圖像垂直方向的分解力取決于電視系統(tǒng)沿垂直方向所能分解的像素數(