電視基礎(chǔ)

廣播方式的電視系統(tǒng)（圖07-02-1）的目標(biāo)是：

• 有效地使用帶寬；

• 高收視率。

圖07-02-1 廣播電視系統(tǒng)

電視系統(tǒng)是由發(fā)送端、信道和接收端三部分來組成的，其基本組成框圖如圖所示。?

圖07-02-2? 電視系統(tǒng)基本組成框圖?

電視系統(tǒng)不僅能夠傳送聲音而且能夠傳送圖像。發(fā)送端利用攝像器件進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，將光圖像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。信號(hào)通道就是傳送電信號(hào)的通路，可以是無線方式，也可以是有線方式。接收端則利用顯像器件將經(jīng)通道傳送過來的圖像電信號(hào)進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換，還原光信號(hào)，重現(xiàn)圖像。

一．圖像的順序傳送

1．像素

一幅黑白靜止圖像是由許多細(xì)小單元構(gòu)成的，構(gòu)成圖像的細(xì)小單元稱為像素（圖07-02-3）。報(bào)紙上的傳真圖片正是這樣構(gòu)成的。對(duì)于觀察者來說，每一個(gè)像素都有它的光學(xué)特性和空間位置，并且隨時(shí)間變化。景物圖像中的任意一個(gè)像素P均可以用八個(gè)物理量來表達(dá)，即

??? P = f ( x ， y ， z ， L ， H ， S ， R ， t )

其中，( x ， y ， z )代表像素的空間位置，L、H、S 分別代表像素的亮度、色調(diào)和飽和度，R 為圖像的分辨率（每一像素面積在景物總面積中所占的比例），而 t 則是該像素產(chǎn)生上述物理量的時(shí)間。對(duì)于現(xiàn)行的彩色電視系統(tǒng)來說，因只能表達(dá)圖像的二維平面信息而不是三維立體信息，所以還無法將所有八個(gè)物理量全部反映出來。

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顯然，一幅圖像分解的像素?cái)?shù)越多，圖像就越清晰。通常，一張35mm電影膠片的圖像約有近百萬個(gè)像素，一幅電視圖像約有40萬個(gè)像素。熒光屏上對(duì)于彩色圖像，則由許多彩色像素組成。對(duì)于彩色電視機(jī)，一個(gè)彩色像素又是由紅、綠、藍(lán)三色點(diǎn)組成的。

圖07-02-3 一幅圖像由許多像素組成

電視系統(tǒng)中，首先在發(fā)送端把圖像分解為像素，然后將這些像素的亮度信息(或色彩信息)轉(zhuǎn)換成電信息傳送出去，在接收端再將像素復(fù)合成圖像。

2．靜止圖像的順序傳送

圖像的像素信息是如何傳送的呢?顯然用同時(shí)傳送制是不現(xiàn)實(shí)的。所謂同時(shí)制，是把一幅圖像的所有像素信息，同時(shí)用各自的信號(hào)通道傳送至接收端，這種方法是不易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橥瑫r(shí)傳送方式所需的信號(hào)通道太多。

實(shí)際上，在電視技術(shù)中常采用順序傳送制，即在發(fā)送端把圖像上各像素的亮度信息按一定的時(shí)間順序，逐一地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，并依次經(jīng)同一個(gè)通道傳送，在接收端按相同的順序，將各個(gè)像素的電信號(hào)在電視機(jī)熒光屏相應(yīng)位置上轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌炼鹊墓恻c(diǎn)。只要這種順序傳送的速度足夠快，那么由于人眼的視覺惰性和發(fā)光材料的余輝特性，會(huì)感到整幅圖像同時(shí)發(fā)光。這種順序傳送圖像像素的方法構(gòu)成的電視系統(tǒng)，稱為順序傳送制電視系統(tǒng)，如圖07-02-4所示。

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圖07-02-4? 順序傳送制電視系統(tǒng)示意圖?

由圖07-02-4可見，假設(shè)發(fā)送端為由許多個(gè)光電管組成的光電板，接收端為由許多個(gè)燈泡組成的顯示板，兩端由一個(gè)信號(hào)通道連接，構(gòu)成電視傳送系統(tǒng)。如傳送“中”字圖像，電子筆S從圖像左上角開始依次掃劃光電板，分解像素的同時(shí)完成光-電轉(zhuǎn)換，依次將各像素的電信號(hào)通過一個(gè)通道傳給電子筆S'，S'以同樣的順序依次掃劃顯示板，復(fù)合像素的同時(shí)完成電-光轉(zhuǎn)換，重現(xiàn)出圖像。發(fā)送端和接收端的電子筆S、S'，必須同步工作，即兩電子筆S和S'的掃劃位置一一對(duì)應(yīng)，掃劃速度一致，才能使重現(xiàn)圖像準(zhǔn)確無誤。當(dāng)然，電子筆的轉(zhuǎn)換速度應(yīng)足夠快，利用人眼的視覺惰性就能看到一幅完整的圖像。

實(shí)際上，在電視系統(tǒng)中，電子筆S和S'的轉(zhuǎn)換作用是通過電子束掃描來完成的。

3．運(yùn)動(dòng)圖像的順序傳送

現(xiàn)代電視系統(tǒng)所傳送的圖像絕大部分是運(yùn)動(dòng)圖像，如何傳輸運(yùn)動(dòng)圖像成為順序傳像系統(tǒng)的重要課題。電影的放映方式給人們以啟迪。在放映電影時(shí)只要以每秒24幅的速度映出時(shí)間相關(guān)、內(nèi)容相近的靜止圖片，由于人眼的視覺惰性，前幅圖像的感覺尚未消失，后一幅圖像就已到來，結(jié)果使人感覺到圖像是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的。

同理，電視也能采用和電影相似的辦法，把活動(dòng)圖像按先后分解成一幅幅靜止圖像來傳送，當(dāng)傳送速度足夠快時(shí)，人眼就會(huì)感到是連續(xù)的活動(dòng)圖像。我國規(guī)定，電視圖像傳送速度為每秒25幅。

通過電影實(shí)踐可知，圖像傳送達(dá)每秒24幅時(shí)雖可獲得連續(xù)活動(dòng)的圖像效果，但卻有一種使人眼產(chǎn)生疲勞的光閃爍感。為克服這種現(xiàn)象，電影機(jī)在映出一幅圖像時(shí)還要遮光一次，使每幅圖像連續(xù)投影兩次，這樣，實(shí)際映人人眼簾的圖像就有48幅每秒。電視系統(tǒng)中也面臨著同樣的問題，它采用了隔行掃描技術(shù)，將每幅圖像分兩場(chǎng)進(jìn)行傳送，使電視機(jī)實(shí)際傳送50場(chǎng)次每秒，從而有效地克服了光閃爍現(xiàn)象。

二．掃描

三 顯像原理

顯像管是接收端完成電-光轉(zhuǎn)換的重要器件。顯像管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖07-02-12所示。它是由電子槍和熒光屏構(gòu)成的。顯像管玻璃外殼的前端是熒光屏，熒光屏玻璃內(nèi)壁涂有一層熒光粉，熒光粉受電子束轟擊時(shí)能發(fā)光。電子槍由各個(gè)金屬電極構(gòu)成，各個(gè)電極加上合適電壓時(shí)，電子槍的陰極受燈絲烘烤發(fā)出電子，聚合成束轟擊熒光屏，電子束在外套偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)作用下掃描熒光屏。

圖07-02-12?? 顯像管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)負(fù)極性圖像信號(hào)加入陰極K時(shí)，能控制柵陰極電壓的變化，控制電子束流I_k的強(qiáng)弱，從而控制電子束掃描熒光屏各點(diǎn)的亮度，在熒光屏還原成像。若加在陰極的圖像信號(hào)電壓越高，則柵陰極電壓越負(fù)，即柵、陰極間負(fù)電壓越大，電子束流越弱，相應(yīng)熒光粉點(diǎn)越暗。反之，若陰極所加圖像信號(hào)電壓越低，電子束流越強(qiáng)，相應(yīng)熒光粉點(diǎn)就越亮，正好與發(fā)送端圖像相應(yīng)的像素亮暗一致。電子束掃描整個(gè)熒光屏復(fù)合成完整圖像。

五．伽馬 ( g ) 校正

（一）伽馬(g )的概念

現(xiàn)實(shí)世界中幾乎所有的CRT顯示設(shè)備、攝影膠片和許多電子照相機(jī)的光電轉(zhuǎn)換特性都是非線性的。這些非線性部件的輸出與輸入之間的關(guān)系（例如，電子攝像機(jī)的輸出電壓與場(chǎng)景中光強(qiáng)度的關(guān)系，CRT發(fā)射的光的強(qiáng)度與輸入電壓的關(guān)系）可以用一個(gè)冪函數(shù)來表示，它的一般形式是：

_{?? 輸出＝(輸入)}^g?

式中的g (gamma)是冪函數(shù)的指數(shù)，它用來衡量非線性部件的轉(zhuǎn)換特性。這種特性稱為冪-律(power-law)轉(zhuǎn)換特性。按照慣例，“輸入”和“輸出”都縮放到0～1之間。其中，0表示黑電平，1表示顏色分量的最高電平。對(duì)于特定的部件，人們可以度量它的輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系，從而找出g 值。

實(shí)際的圖像系統(tǒng)是由多個(gè)部件組成的，這些部件中可能會(huì)有幾個(gè)非線性部件。如果所有部件都有冪函數(shù)的轉(zhuǎn)換特性，那么整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就是一個(gè)冪函數(shù)，它的指數(shù)g 等于所有單個(gè)部件的g 的乘積。如果圖像系統(tǒng)的整個(gè)g ＝1，輸出與輸入就成線性關(guān)系。這就意味在重現(xiàn)圖像中任何兩個(gè)圖像區(qū)域的強(qiáng)度之比率與原始場(chǎng)景的兩個(gè)區(qū)域的強(qiáng)度之比率相同，這似乎是圖像系統(tǒng)所追求的目標(biāo)：真實(shí)地再現(xiàn)原始場(chǎng)景。但實(shí)際情況卻不完全是這樣。

當(dāng)這種再生圖像在“明亮環(huán)境”下，也就是在其他白色物體的亮度與圖像中白色部分的亮度幾乎相同的環(huán)境下觀看時(shí)，g ＝1的系統(tǒng)的確可使圖像看起來像“原始場(chǎng)景”一樣。但是某些圖像有時(shí)在“黑暗環(huán)境”下觀看所獲得的效果會(huì)更好，放映電影和投影幻燈片就屬于這種情況。在這種情況下，g 值不是等于1而通常認(rèn)為g ?1.5，人的視角系統(tǒng)所看到的場(chǎng)景就好像是“原始場(chǎng)景”。根據(jù)這種觀點(diǎn)，投影幻燈片的g 值就設(shè)計(jì)為1.5左右，而不是1。

還有一種環(huán)境稱為中間環(huán)境的“暗淡環(huán)境”，這種環(huán)境就像房間中的其他東西能夠看到，但比圖像中白色部分的亮度更暗?？措娨暤沫h(huán)境和計(jì)算機(jī)房的環(huán)境就屬于這種情況。在這種情況下，通常認(rèn)為再現(xiàn)圖像需要g ?1.25才能看起來像“原始場(chǎng)景”。

（二）g校正

所有CRT顯示設(shè)備都有冪-律轉(zhuǎn)換特性，如果生產(chǎn)廠家不加說明，那么它的g 值大約等于2.5。用戶對(duì)發(fā)光的磷光材料的特性可能無能為力去改變，因而也很難改變它的g 值。為使整個(gè)系統(tǒng)的g 值接近于使用所要求的g 值，起碼就要有一個(gè)能夠提供g 校正的非線性部件，用來補(bǔ)償CRT的非線性特性。

在所有廣播電視系統(tǒng)中，g 校正是在攝像機(jī)中完成的。最初的NTSC電視標(biāo)準(zhǔn)需要攝像機(jī)具有g ＝1/2.2＝0.45的冪函數(shù)，現(xiàn)在采納g ＝0.5的冪函數(shù)。PAL和SECAM電視標(biāo)準(zhǔn)指定攝像機(jī)需要具有g ＝1/2.8＝0.36的冪函數(shù)，但這個(gè)數(shù)值已顯得太小，因此實(shí)際的攝像機(jī)很可能會(huì)設(shè)置成g ＝0.45或者0.5。使用這種攝像機(jī)得到的圖像就預(yù)先做了校正，在g ＝2.5的CRT屏幕上顯示圖像時(shí)，屏幕圖像相對(duì)于原始場(chǎng)景的g 大約等于1.25。這個(gè)值適合“暗淡環(huán)境”下觀看。

過去的時(shí)代是“模擬時(shí)代”，而今已進(jìn)入“數(shù)字時(shí)代”，進(jìn)入計(jì)算機(jī)的電視圖像依然帶有g ＝0.5的校正，這一點(diǎn)可不要忘記。雖然帶有g 值的電視在數(shù)字時(shí)代工作得很好，尤其是在特定環(huán)境下創(chuàng)建的圖像在相同環(huán)境下工作。可是在其他環(huán)境下工作時(shí)，往往會(huì)使顯示的圖像讓人看起來顯得太亮或者太暗，因此在可能條件下就要做g 校正。

在什么地方做g 校正是人們所關(guān)心的問題。從獲取圖像、存儲(chǔ)成圖像文件、讀出圖像文件直到在某種類型的顯示屏幕上顯示圖像，這些個(gè)環(huán)節(jié)中至少有5個(gè)地方可有非線性轉(zhuǎn)換函數(shù)存在并可引入g 值。例如：

	camera_gamma：攝像機(jī)中圖像傳感器的g (通常g ＝0.4或者0.5)
	encoding_gamma：編碼器編碼圖像文件時(shí)引入g
	decoding_gamma ：譯碼器讀圖像文件時(shí)引入g
	LUT_gamma：圖像幀緩存查找表中引入g
	CRT_gamma：CRT的g (通常g ＝2.5)

在數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)中，由于要顯示的圖像不一定就是攝像機(jī)來的圖像，假設(shè)這種圖像的g 值等于1，如果encoding_gamma＝0.5，CRT_gamma＝2.5和decoding_gamma，LUT_gamma都為1.0時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的g 就近似等于1.25。

根據(jù)上面的分析，為了在不同環(huán)境下觀看到“原始場(chǎng)景”可在適當(dāng)?shù)牡胤郊尤?font face=幼圓>g 校正。