第一章彩色电视的基础知识.docx
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第一章彩色电视的基础知识
第一章彩色电视的基础知识
电视是20世纪电子科学技术最重要的成果之一。
电视在人类进行信息传播过程中起着非常重要的作用，以至于有人感叹的说：
如果今天没有电视，我们的生活将会怎样？
电视技术是综合光学、材料学、物理学、电子技术、数字技术等为一体的综合技术。
从电视技术的诞生到电视技术的广泛应用，以及电视所发挥的社会作用，都充分体现出电视技术的神奇和奥秘。
电视是如何完成图像的光电转换、传递、接收以及各相关功能，本章将深入浅出的介绍。
第一节彩色电视的三基色原理
一、三基色原理
人眼之所以能感受到自然界五彩缤纷的景物，是由于光波映入人眼而引起的视觉效果。
光波也是电磁波，其频率范围很广，其中，人眼可以直接看到波长在380～780毫微米范围内的电磁波，我们称其为可见光，如表1-1-1所示。
因此，只要物体的辐射波或反射波在可见光的范围内，我们就可以感受到它的存在和色彩。
为了准确地描述物体的颜色，我们采用亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述，通常称之为彩色三要素。
表1-1-1可见光的波长与颜色
波长（单位：
nm）
可见光颜色
380～420
紫光
420～450
蓝光
450～490
青光
490～560
绿光
560～590
黄光
590～620
橙光
620～780
红光
1．亮度
亮度反映光刺激人眼时所引起的明亮程度。
通常光辐射体的功率越大，亮度越高，反之则亮度越低，对于不发光的物体，亮度取决于它反射光功率的大小。
将亮度经光电转换形成的电信号称为亮度信号，通常用EY或Y表示。
它是黑白电视的主要物理量。
对于彩色电视，为了能与黑白电视兼容，亮度信号也是彩色电视必需传送的信号之一。
2．色调
色调，反映了物体颜色的类别。
如：
红、绿、蓝等不同颜色。
色调与光的波长有关，不同波长的光呈现不同的颜色，如580毫微米波长的光呈现黄色，某物体的色调取决于光源的波谱成分和它本身反射光的波谱成分。
例如，树叶在阳光（白光）照射下，它吸收了其他光谱成分而将绿色光谱成分反射，从而呈现绿色；白纸在绿光照射下，只有绿色光谱被反射，而呈绿色。
因此，当我们观察物体颜色时，除了物体本身的属性外，还与照明光源的光谱特性有关。
3．色饱和度
色饱和度表示物体颜色的浓淡程度。
它与该色调中掺入白光的多少有关。
白光成分越多，物体颜色越淡，其饱和度越低。
色调和色饱和度是表征颜色的两个物理量，在彩色电视中统称为色度，它既可说明物体颜色的类别，又可说明颜色的浓淡程度。
反映色度的电信号称为色度信号。
自然界中物体的颜色是千变万化的，那么电视是怎样重现景物的颜色呢？
人们通过研究发现：
虽然不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可能是不同光谱成分的混合组成。
例如，适当比例的红光与绿光混合，可以产生与单黄色光相同的彩色视觉效果。
4．加法混色与三基色基本原理
所谓加法混色是指：
两束或两束以上不同颜色的光同时（或交替）投射到人眼视网膜的锥状细胞时，会产生与投射的光相关联的另一个颜色的感觉，这个产生的颜色称为混合色。
它是把色光叠加起来的混色方法。
例如，红光和绿光投射到人眼的锥状细胞时，就会产生黄色的感觉，黄色就是红和绿的混合色。
它具有以下特点：
红、绿、蓝三种光以适当比例相加混合，可以得到白光。
改变其比例，可得到许多不同颜色的光，互补色光可混合成白光。
红、绿、蓝称为加法混色的三基色。
如图1-1-1所示。
图1-1-1加法混色
实验证明：
自然界几乎所有存在的颜色都可以用红、绿、蓝三种基本的色彩（简称基色）按一定比例混合而成；反之，任意彩色也可以被分解成该三个基色组成。
另外，混合色的亮度等于各个基色亮度之和。
其次，三种基色分量之间的比例，直接决定混合色的色度（色调和色饱和度）。
这就是色度学中的三基色基本原理。
三基色基本原理是彩色图像的摄取、传输和重现的重要理论依据。
根据这一原理，传送一幅绚丽多彩、千变万化的彩色图像时，并不需要传送其中各种不同颜色的真实波长和强度，而只要传送三个基色信号就可以。
在重现时，只要混合三个基色就可达到与原图像等效的彩色视觉效果。
这样，大大简化了重现彩色的技术措施，使彩色电视成为现实。
二、三基色的混色法
利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法称为混色法。
目前电视采用的混色方法有以下两种：
1．空间混色法
将三基色光同时投射到某一平面邻近的三个点上，只要这三个点足够近，由于人眼的分辨力的局限性，就能产生三种基色光混合的彩色感觉。
当显像管荧光屏上“品”或“一”字形排列的荧光粉被红（R）、绿（G）、蓝（B）三束电子分别击中而发光时，只要这些发光点足够近，人眼就无法分辨出红、绿、蓝三种颜色，而得到是它们相加的混和结果。
这就是空间混色法，是实现同时制彩色电视的基础。
2．时间混色法
把三基色光按一定顺序先后投射到某一平面上，当三者交替速度足够快，由于视觉惰性，人眼无法分辨出每一幅画面，而产生混色效果。
在彩色电视系统中，原彩色图像被分解成R、G、B三幅基色光图像，转换成电信号并传输后，接收端按一定顺序将它们轮流重现在彩色屏幕上，只要轮流频率足够高，人眼就无法分辨每一轮单色的图像，而看到一幅由三幅基色光图像混色而成的，与原图像一致的彩色图像。
这种混色法被称为时间混色法，是实现顺序制彩色电视的基础。
三、彩色电视信号三基色的传输
根据三基色原理，可以把自然界景物中丰富多彩的彩色图像，经彩色摄像机光学系统，分解成R、G、B三个基色图像。
通过扫描等视频处理，把它们变成相应的基色电信号ER、EG、EB，同时传送到彩色监视器上，就能重现出原景物的彩色图像。
但实际传输电视信号时，若采用直接传输三基色电信号，系统不仅需要三路传输通道，使传输带宽增加三倍，而且为了保证再现彩色图像与原图像色彩一样，要求三路通道在频率特性等技术性能上完全一致，这不仅在技术上难以实现，占用更多的带宽，而且也使黑白电视无法与彩色电视兼容。
因此，要选用合适的处理方式将红、绿、蓝三路电信号合成一路彩色电视信号在一路通道中传送。
通过分析，人们发现将三基色信号进行线性变换，组成亮度信号和红色差、蓝色差，再将红色差、蓝色差两路色差信号进行正交调制加到亮度信号频谱高端上，便可实现在一路通道内传送彩色信号。
接收端也很容易从亮度信号和两路色差信号中还原成三基色信号，重现原彩色信号。
色差信号是指由基色信号和亮度信号之差组成的信号。
设亮度信号为EY，则红色差信号为EREY，蓝色差为EBEY，绿色差为EGEY，它们与三基色信号之间的关系是
亮度方程为EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB
色差方程为ERY=EREY=0.70ER0.59EG0.11EB
EBY=EBEY=0.30ER0.59EG+0.89EB
EGY=EGEY=0.30ER+0.41EG0.11EB（1-1）
在以上三个色差信号中，只有两个是独立的。
已知其中的两个色差信号，可以得到另一色差信号，也就是说只要传送亮度信号和两个色差信号就可以了。
从公式（1-1）可以看出，绿色差信号的幅度最小，不利于传送。
所以在实际应用中，仅传送亮度信号和红、蓝色差信号，即选用亮度信号EY、红色差信号ERY、蓝色差信号EBY作为传输信号，在接受端，收到这三基色信号后，可由EY、ERY、EBY恢复EGY信号，然后再通过矩阵电路将三个色差信号与亮度信号相加，得到三个基色信号。
即
EGY=（0.30/0.59）ERY（0.11/0.59）EBY
ER=ERYEY
EB=EBYEY
EG=EGYEY（1-2）
将三基色信号ER、EG、EB送给显像器件，则可在显像器件的屏幕上再现彩色图像。
如果用R、G、B、Y分别表示红、绿、蓝信号和亮度信号，亮度信号方程和红、蓝色差信号方程也可写为
Y=0.30R+0.59G+0.11B
R-Y=0.70R0.59G0.11B
B-Y=0.30R0.59G+0.89B（1-3）
四、电视的色域与高清电视的亮度方程
1953年美国制定NTSC标准时采用了C光源，以此为依据导出了现在仍然广泛使用的亮度方程Y=0.30R+0.59G+0.11B。
然而在实际应用中很快发现，这种基于C光源的NTSC色域在制造产品也就是显像管时存在比较大的问题。
符合NTSC色域的荧光粉特别是绿色荧光粉的发光效率太低，发光效率比较高的绿色荧光粉又不符合NTSC色域。
随着显像管制造技术特别是荧光粉技术的发展市场上出现了采用“新型”荧光粉制造的高亮度显像管，但这些显像管荧光粉的色域特别是绿色域都不符合NTSC标准，因此彩色还原不如低亮度的显像管好。
由于在高亮度与更好的彩色还原之间市场选择了高亮度，从此NTSC色域开始了名存实亡的进程。
1965年CIE（国际照明委员会）定义了D光源也就是D65基准白，并被1966年制定的PAL标准首先采用。
EBU（欧洲广播联盟）制定PAL标准（EBUTecn.3213）时，充分考虑了当时荧光粉的制造技术水平，特别是绿色荧光粉。
因此虽然看起来EBU的色域比NTSC小了一些，但依此标准制造的显像管比较好地兼顾了亮度与彩色还原的性能。
严格地说由于采用了不同于NTSC的色域和标准白，PAL标准应该采用与NTSC不同的亮度方程，但EBU仍然沿用了NTSC亮度方程没有作任何改变，所以这个所谓的“标准亮度方程”用于PAL时肯定是有误差的，只不过因为误差不大对实际应用的影响比较小。
SMPTE（美国电影电视工程师协会）RP145制定的SMPTEC彩色监视器色域标准也采用了与欧洲类似的思路，其RGB色坐标与EBU非常接近，但与NTSC色域相差比较大。
与EBU相同SMPTEC也采用了D65基准白，但为了与原有的标准保持一致采用SMPTEC色域的NTSC设备仍然使用了NTSC亮度方程。
1984年ITU（国际电信同盟）R601（原来的CCIR601）标准制定时也采用了与NTSC完全相同的亮度方程系数，在数字电视时代进一步确定了NTSC亮度方程的“标准性”。
如今在标清电视领域广泛使用的亮度方程是从古老的、已经不再使用的C光源和NTSC色域推导出来的，但C光源和NTSC色域早已成了仅存在于教科书上的标准，实际使用的是D65基准白和EBU、SMPTEC色域。
这种矛盾的现象造成了标清电视彩色还原的误差，但这是历史的产物，是既成事实。
表1-1-2电视色域
NTSC
EBU
SMPTE-C
HDTV（ITU-R70）
x
y
x
y
x
y
x
y
R
0.670
0.330
0.640
0.330
0.630
0.340
0.640
0.330
G
0.210
0.710
0.290
0.600
0.310
0.595
0.300
0.600
B
0.140
0.080
0.150
0.060
0.155
0.070
0.150
0.060
基准白
C
D65
D65
D65
基准白坐标
0.3101
0.3162
0.3127
0.3290
0.3127
0.3290
0.3127
0.3290
在1990年制定的高清标准ITUR709中色域是一个政治上妥协的产物，其R和B的坐标以及G的y坐标与EBU完全相同，G的x坐标则是SMPTEC和EBU的平均值。
与EBU和SMPTEC一样，ITUR709也采用了D65基准白。
趁着从标清向高清过渡的机会ITUR709彻底解决了标清时代遗留的亮度方程这个历史问题，消除了标清电视标准中存在的亮度和色度误差。
ITUR709的亮度方程是从D65基准白和ITUR709色域推导出来的，没有沿用原有的NTSC标准，与NTSC的亮度方程系数不一样。
最显著的差别是彩条测试信号，用示波器可以看到高清的绿色与紫色之间亮度信号的幅度变化比标清大得多，这是因为与标清亮度方程相比高清的亮度方程中绿色分量增加而红色、蓝色分量减少造成的。
高清电视信号的亮度方程为：
Y=0.2126R+0.7152G+0.0722B（1-4）
表格1-2和图1-1-2给出了NTSC、EBU、SMPTEC和HDTV（ITU709）的电视色域。
图1-1-2电视色域图
第二节电视广播的过程
从技术角度着眼，电视广播事业的功能是综合利用现代化的信息技术传播手段，将各种可听、可视的声音和图像节目传播到千家万户。
电视广播是根据人眼的视觉特性，利用光学原理和无线电原理远距离传送活动图像（或静止图片）和声音的系统。
电视是利用电子的方法传输光学信息的方式。
电视系统由摄像、传输、显像三部分组成。
电视广播的关键是如何将活动的图像变成电信号和如何将电信号复原成活动图像。
一、图像传送
无线电广播是一个声-电-声的转换过程。
而在电视广播中，被传送的是图像和伴音，其中伴音的传送相当于调频无线电广播。
而图像的传输是光-电-光的变换过程。
一幅图像是由许多亮暗不同的细小点子组成的。
这些细小的点子是构成一幅图像的基本单元，称为像素。
像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像越清晰，如图1-2-1所示。
在图1-2-1中，将一幅画面划分成许多小方格，若每一个小格为一个像素，则这一方格的平均亮度就代表了这一小块面积的亮度，可见小格子划分得越细，每个格子的平均亮度越接近实际情况，这样图像就更清晰。
通常一幅标准清晰度电视图像约为40多万个像素。
把图像分解成像素后，怎样传送这些像素呢？
我们可以设想，用一块由几十万个光电器件（用于将景物光像转变为电信号）和一块由几十万个灯泡（用于将电信号转换为景物光像）来传递图像，如图2-2-2所示。
这种传送是将组成图像的所有像素信息同时进行传送，所以称为同时制传送方式，这需要几十万个传输通道，显而易见是难以实现的。
图1-2-2同时传送方式
在实际的电视广播中把被传送图像的各像素按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去。
在接收端的荧光屏上，再按同样的顺序将各像素的电信号在相应位置上转变为光，只要这种顺序进行的足够快，由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏发光材料的余辉特性，就会使我们感到整幅图像同时发光而没有顺序感，这种传像方法是顺序传送方式，它只需要一个传输通道，如图2-2-3所示。
图1-2-3顺序传送方式
将图像变成顺序传送电信号的过程和把顺序传送电信号变为图像的过程在电视技术中称为扫描。
前者称为图像分解扫描过程，后者称为图像合成扫描过程。
在电视系统中，扫描是按着从左至右，自上而下的顺序进行的。
从左至右的扫描称为行扫描或水平扫描，自上而下的扫描称为帧扫描或垂直扫描。
图1-2-3中是一种模拟的机械扫描装置，开关k1、k2接通某个像素时，此像素就被发送和接收。
这里要求k1、k2运转的足够快且要准确，使得收发两端每个像素的几何位置一一对应，即收发端同步工作，简称同步。
在实际的电视传输系统中，一般采用电子扫描设备，通过电子扫描与光电转换，就可以把反映一幅图像亮度空间、时间函数变为仅用时间函数表示的电信号，从而实现了图像的顺序传送。
二、扫描方式
扫描的方式有多种多样，例如圆扫描、直线扫描和螺旋扫描等。
电视技术中采用的是均匀的单向直线扫描。
根据扫描方式的不同，它又可分为逐行扫描和隔行扫描。
1．逐行扫描
逐行扫描方式是电子束在光电靶或荧光屏上自左向右，从上到下均匀地一行接一行地扫描。
电子束运行的轨迹如图1-2-4所示。
电子束从左到右的扫描过程称之为行正程扫描，如图中实线所示，时间为THI；电子束从右到左的扫描过程称之为行逆程扫描，如图中虚线所示，时间为THR。
行正程扫描与行逆程扫描时间之和称之为一个行扫描周期，用符号TH表示，应该有TH=THI+THR。
电子束从左上角向右下角扫描的过程称之为帧正程扫描，所需的时间标记为TVI。
电子束从右下角向左上角回扫描的时间称之为帧逆程扫描，所需时间标记为TVR。
同样，TV=TVI+TVR称之为帧周期。
为了保证每幅画面的扫描光栅完全重合，行与帧扫描周期应满足公式（2-5），其中，Z为扫描行数。
TV＝ZTH（1-5）
2．隔行扫描
隔行扫描是将一帧画面的图像分为二场扫描。
625/50系统如图1-2-5所示。
奇数场按照橙色线箭头方向进行扫描，偶数场按照蓝色线箭头方向进行扫描。
图1-2-5隔行扫描
由图1-2-5可以看出隔行扫描中每帧图像需二场扫描，第一场称为奇数场，只扫1、2、3……313前0.5行，第二场称为偶数场，只扫313后0.5行、314、315……625行。
为了保证物理设备实现起来的方便，通常采用奇数行的隔行扫描，则每场的扫描行数为n0.5，n为正整数。
为了保证每场光栅的重合，行频与场频的关系如下，
fH/fV=n+0.5=Z/2（1-6）
三、扫描行数与像素数
1．标清电视与高清电视
在标准清晰度电视中，扫描行数主要有525行和625行两种，高清晰度电视扫描行数为1125行。
在标清电视中，图像的宽高比（又称为约束比）为4/3，每帧图像的扫描行数有525行和625行两种。
由于采用隔行扫描，即一帧图像分为奇偶两场传送，场频分别为50Hz和60（实际上为59.94）Hz。
在黑白电视标准中，有分别记为525/60i（interlacedscanning）和625/50i，供市电频率为50Hz和60Hz的国家和地区采用。
在525/60i和625/50i隔行扫描的电视系统中，去掉场消隐区，这两种标准的有效扫描行数分别为480行和576行。
在电视画面中，水平方向的解像能力应该与垂直方向相同。
以625/50i为例，计算水平方向的解像能力应为576*4/3=768，或者说水平方向应该有768个像素。
可见，625/50i系统一帧电视画面的解像能力为768*576=442,368个像素，约为44万个像素。
在高清电视中，有效扫描行数为1080，画面的约束比为16/9，可以计算出一帧高清电视画面的有效像素数应该为1920*1080，为2,073,600个像素，约为207万像素。
在高清电视系统中，为降低传输码率也采用隔行扫描，在市电频率为50Hz和60Hz的国家和地区，其场频分别为50Hz和60（59.94）Hz，分别表示为1080/50i和1080/60（59.94）i。
在制作端，对应的帧频分别为24Hz（微电影）、25Hz（50i）、30Hz（60i），分别记为24p、25p和30p。
在显示端，为减少帧频闪烁，采用逐行扫描（progressivescanning）显示，帧频加倍，又出现了1080/50p和1080/60p。
2．4k电影
像素为4096×2160的数字电影正在走进我们的生活。
这种4k级别的电影，其分辨率可提供880多万像素，从而实现电影级的画质，相当于目前顶级1080p的四倍还多。
当然超高清的代价也是不菲的，每一帧的数据量都达到了50MB以上，因此无论解码播放还是编辑都需要顶级配置的机器。
4k，是新一代数字电影的分辨率标准。
它不同于我们在家里看的所谓高清电视（1080p，1920×1080分辨率），也不同于传统数字影院的2k分辨率的大屏幕（2048×1080分辨率），而是具有4096×2160分辨率的超精细画面。
用简单的比喻就是：
你在家里看到的高清电视是207万像素的画面，而在传统数字影院里看到的是221万像素的2k画面，在4k影院里，能看到885万像素的4k画面。
第三节标准和高清彩条信号
一、标清彩条信号
标准彩条信号是由彩色信号发生器产生的一种测试信号，常用来对彩色电视系统的传输特性进行测试和调整。
用彩条信号比用彩色测试卡方便，而且可以免除由于摄像机等信号源性能不理想给测试带来的影响。
本节以标准彩条信号为例，给出亮度信号和色差信号的具体数据和波形。
标准彩条信号是用电的方法形成的一种电信号，它在接收机或监视器上显示为八条等宽的竖条。
自左至右依次为白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑。
如图2-3-1所示。
标准彩条信号可以有不同的规范。
图1-3-1（b）、（c）、（d）分别示出一种规范的正极性彩条三基色信号波形图。
如果把它们与白条对应的电平定为1.0；与黑条对应的电平定为0，则这种规范的三基色信号的电平非1即0，由其显示的彩色均为饱和色。
例如，对应自左至右第三条G0=B0=1、R0=0，显示饱和青色；第四条G0=1、R0=B0=0，显示饱和绿色等。
因此称为100%饱和度、100%幅度（最大幅度）彩条信号。
在这种命名法中，三基色信号均指未经校正的信号。
由100%饱和度、100%幅度彩条三基色信号组成的亮度信号和色差信号的波形与数值见图（e）～（g）,如果三基色信号的最大值仍为1，而最小值为0.05，则不难算出在各基色和补色条中，均含有5%的白光。
因而成为95%饱和度、100%幅度彩条信号。
此外，还可以有其它规范的彩条信号，例如100%饱和度、75%幅度彩条信号等。
图1-3-1彩条信号波形图
标准彩条信号还可以用另一种由四个数码表示的命名法。
例如100-0-100-0彩条100-0-75-0彩条、100-0-100-25彩条等。
我国彩色电视广播标准规定采用100-0-75-0彩条信号。
此彩条原是欧洲广播联盟（EBU）提出并采用的，又称EBU彩条。
在四数码表示法中，各信号均指校王后的信号。
每一数字表示相应条的基色信号的百分比幅度，而基准则是组成白条的任一基色信号的幅度。
第一和第二数字分别表示组成无色条（黑白条）的R、G、B的最大值和最小值；第三和第四数字分别表示组成各彩条的R、G、B的最大值和最小值。
例如，组成白条的基色信号的幅度为1，则100-0-75-0彩条的各基色信号的幅度是：
对应白条有最大值1；对应黑条有最小值0；对应各彩色条有最大值0.75和最小值0。
彩条信号用四数码命名时，其百分数饱和度和幅度可如下计算：
饱和度%=[1－（Emin/Emax）]×100（1-7）
幅度%=Emin/Ew×100（1-8）
式中Emin是彩色条R、G、B的最小值；Emax则是彩色条R、G、B的最大值，Ew是白条R、G、B的幅度。
不难看出，按式（1-7）计算所得百分数饱和度即是按未经校正信号值计算的饱和度，所以与前一种表示法的含意相同。
但按式（1-8）计算所得百分数幅度，却表示校正后的彩条信号幅度，与前一种表示法的含意有所不同。
用于625/50系统的100-0-100-0的彩条信号可由亮度方程、红色差方程和蓝色差方程求得。
EY=0.30ER+0.59EG+0.11EB
ERY=EREY=0.70ER0.59EG0.11EB
EBY=EBEY=0.30ER0.59EG+0.89EB
表1-3-1625/50系统的100-0-100-0的彩条信号
彩条
白
黄
青
绿
品
红
蓝
黑
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
Y
1
0.89
0.70
0.59
0.41
0.30
0.11
0
R−Y
0
0.11
−0.70
−0.59
0.59
0.70
−0.11
0
B−Y
0
−0.89
0.30
−0.59
0.59
−0.30
0.89
0
注：
表中，R、G、B、Y、R−Y和B−Y的1和0分别表示幅
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