知识普及：电视图象信号的处理（图） (电视小常识)
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§4.4电视图象信号的处理 在4.2.1节中曾介绍了三管式彩色摄象机的电路结构方框图，从摄象机取出的微弱信号电流，在进入编码器前，必须经过一系列的放大、补偿等处理。它们主要包括输入放大、增益、调整电缆校正、黑斑校正、彩色校正、轮廓校正、黑电平控制和杂散光补偿、g校正、消隐混合等各级电路，上述电路统称为*处理电路。图4.4－1以G信道为例，示出彩色摄象机一个信道的组成情况，其中轮廓校正和彩色校正是供R、G、B三个信道共用的，其余电路每个信道都是*的。
（l）的正次瓣对应于（l）的主瓣范围内。因此，若将彩色摄象机的绿色信号电压G引出一路来，乘以合适的系数b并倒相，就可当作（l）的负次瓣应具有的电压；又将蓝色信号电压B引出一路来，乘上合适的系数c后，就可当作（l）正次瓣应具有的电压。对于（l）和（l）的负次瓣，可以类似地处理，于是得（4.4-8）式中，、、是经过线性矩阵校正彩色后的电压，R、G、B是未经彩色校正的*机输出电压。a、b…h、i是9个矩阵系数。其中a、b、i是各路本身信号的系数，通常在1～1.5范围内，其余6个必小于1，且b、e、f、h必为负值，c必为正值，g可能是正或负（g一般为负值），视设计而定。这些关系从图2.4-3可以看出来。为了保持白平衡，对于基准白色，三路*机输出信号R、G、B幅度通常调到相等（假设等1）。彩色校正后的三路输出信号也应该具有Rc＝Gc＝Bc＝1的关系，而保持白平衡不受影响，故应有由此表明，9个矩阵系数中，只有6个*的。应用线性矩阵的关键，是正确地选定矩阵系数。然而矩阵系数的确定与照明光源、优选的被摄景物颜色、变焦距镜头、分色棱镜和摄象管等因素有关，它们的最佳值是用电子计算机来求得的。如果矩阵系数数值不当，效果可能适得其反，出现更严重的颜色误差。然而，若矩阵系数确为最佳，事实证明可使重现颜*真度大为提高。在实际中，通常选择若干种（种左右）对人眼敏感的颜色（如肤色等）进行试验，根据实际效果进行调整，最后确定矩阵系数的最佳值。彩色校正矩阵电路的实现并不复杂，利用倒相放大器（可以获得不同极性的信号输出）和电阻矩阵网络（保证各信号的比例关系）即可组成。当各电阻值调到恰好符合矩阵系数要求后，在*机工作过程中，将不再调整，故这种彩色校正也称为固定彩色校正。由于靠线性矩阵提供的次瓣形状并不与理想的十分相符，所以经校正后得到的光谱响应曲线还是同（l）、（l）、（l）有一定出入的，也就是说，要求电视*完全准确地重现出景物的彩*象，事实上是不可能的。4.4.5g校正一、g校正的必要性1.2.2节中曾指出，光电转换特性的非线性会引起图象非线性失真，它表现在两个方面，其一是灰度失真，即电视图象亮度层次的压缩与扩张；其二是色度失真。图4.4-7示出灰度非线性失真的情况，设被摄景物是图（b）所示的一幅亮度逐级均匀变化（共包括六个灰度级）竖条图案，其亮度变化示于图（c）。当*按图（a）中的的转换特性，进行传输时，重现度将如图（d）所示，即亮度区对比度大，暗区对比度减少。如果*有的转换特性，则重现图象的亮度变化将如图（e）所示，此时亮区对比度，减少而暗区对比度加大。产生前一种情况的*，称为具有亮度（级数）均匀扩张（白扩张）特性的*；而后一种*则称为具有亮度（级数）均匀压缩特性的*。对于光电转换非线性的彩色电视*，除了存在上述亮度失真外，还存在着色度失真。其规律可用图4.4-8来说明。三基色及其三补色的色度不受传输*非线性的影响，重现彩色在色三角形中的坐标位置不变。C白的色度不受的影响，重现C白的坐标位置也不变。其它多种彩色经[Page]>1的*传输后，色度坐标将向三角形的三边或三顶点方向移动；而<1时，移动方向恰好相反，即向三角形中心或三边中心靠近，就三角形内各点代表的彩色而言，前一种情况下饱和度增强，后一种情况下饱和度下降。因此，光电转换非线性的彩色电视*不仅存在亮度失真，而且还存在色度失真。前者不易被察觉，而后者都较容易引起注意。因此，色度失真必须*在按人眼色差刚辨别阈所确定的容限之内（可根据图2.2-估算）。因此，g校正是必要的。二、g校正的基本方法实现g校正常用的两种方法：二极管非线性校正（连续式校正）和二极管开关式校正（折线式校正）。连续式校正原理如图4.4-9所示。在小信号时，二极管的内阻是非线性的，如图（b）所示。当输入线性锯齿波电压U1时，由于二极管D的内阻非线性，经分压输出U2也是非线性的，它接近所要求的g校正特性曲线。这种电路最为简单；但易受二极管本身温度特性之影响，稳定性差，必须进行补偿措施。折线式校正原理如图4.4-所示，该电路中的二极管主要不使用于小信号的非线性状态，而是利用二极管的开关特性。图中四个二极管的偏压不一样，当输入线性锯齿波电压U1时，随着U1的增大，四个二极管先后逐个导通，改变了分压比，使输出电压U2分为五段，其折率一段比一段小，由此五段折线所形成的特性曲线能调节变化，使其近似所要求的g校正特性曲线。因此电路虽比较复杂但很稳定。4.4.6基准电平稳定图象信号是一种随时间变化的信号电压，它以固定的消隐电平为基准，在一个方向上变化，它包含被摄景物中的背景、彩色细节、运动状态等。从频谱上看，它既有直流分量，又有交流分量。但在传输*中，不可能全部采用直流放大，因为这样做，既不稳定，又不经济。通常都采用交流耦合传输，这样，代表背景的直流分量就被丢失了，固定的基准电平发生变化，使传输*动态范围增加，*了彩色底色平衡而产生畸变。图4.4-表示图象信号传输时，直流分量丢失的情况。图象信号经交流耦合后，使原来的直流分量丢失，作为电平基准的消隐电平，变为高低不平了。如果设法把消隐电平的顶部拉在同一电平上，恢复到原状态，这叫做直流恢复。完成这种作用的电路，叫做钳位电路。钳位电路不仅能恢复直流分量，而且尚有改善*信号的低频失真的消除迭加型低频交流干扰的作用。一个低频特性差的图象信号，场扫描期间的行消隐电平如图4.4-（b）那样是倾斜的。通过钳位就把倾斜特性钳平了，如图（c所示）。图4.4－（a）是有低频交流干扰的图象信号，当把消隐电平钳到某一固定电平时，就消除了交流干扰，如图4.4-（b）所示。在电视收、发*中，钳位电路用得极其普遍。一般来说，在信号进行非线性变换之前，都要先进行钳位，尔后进行变换。例如，g校正、平衡调幅，同步分离等等，这一点应引起读者的注意。钳位电路有强迫和非强迫钳位之分。通常三极管的强迫钳位用得较多，它的实际电路如图4.4-所示。图是钳位三极管，用以代替钳位二极管的作用，在的基极上输入一列出现在行消隐期间的行频脉冲（钳位脉冲）。当有钳位脉冲时，不管被钳位的信号为何电平，三极管总是及时饱和导通，电容C通过前级输出电阻和的饱和内阻迅速充电，这时输入信号脉冲被钳位集电极电位上（近似等于发射极的电位）。当钳位脉冲过后，C通过前级输出阻抗和下级输入阻抗放电。这两级通常采用发射极跟随器。它们具有低的输出阻抗和高的输入阻抗，这就保证了电容C的迅速充电和缓慢放电。在钳位三极管的发射电路接入电位器W，用来调节钳位电平，为了不使钳位脉冲对图象信号产生干扰，钳位脉冲应比消隐脉冲窄一些，即图中两个信号的脉宽应有下列关系：。在摄象机中调整基准电平（PedestalLevel）或黑电平（BlackLevel），都是通过调整钳位电平实现的。本章节完结，请继续浏览下一篇[Page]
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过去除预放器装在摄象机机头以内外，其余部分都装在控制框内，由于集成电路的发展，现在全部*处理电路都可安装在摄象机机头内，实现了一体化。这不仅缩小了体积，而且电路结构也复杂多变，有利于提高摄象机的性能指标和*作功能。 4.4.1预放器一、预放器的基本要求预放器是整个*处理电路的第一级放大器，也称前置放大器。它设置在摄象管输出信号电极附近，把从摄象管输出的极微弱的信号电流进行放大，供后级的*处理使用。对于预放器的基本要求有下列三点：1、高增益。对1英寸光电导摄象管来说，正常输出信号电流约0.2mA，若在预放器输出端的W负载上输出0.5V信号电压，则要求预放器必须具有dB的电流增益。2、宽频带。为了保证图象信号有足够的清晰度与较小的低频失真，其频带宽度要求不窄于7～8MHz，对于Hz方波，其平顶跌落应小于2％。3、良好的信杂比。若使电视机屏幕上基本上感觉不到杂波干扰，则要求信杂比不低于dB，最低限度不能小于dB。二、预放器的输入电路和频率特性预放器的输入等效电路如图4.4－2（a）所示，其中Ri由输入电阻与摄象管直流负载电阻并联而成，Ci包括摄象管的输出电容，引线分布电容和预放器的输入电容等。输入电路的输入阻抗为：（4.4-1）其模值（4.4-2）由上可知，输入阻抗是随频率的升高而下降的，当频率很低时，输入阻抗。输入电路的频率特性可用来表示，即（4.4-3）根据上述特性，用图4.4-2（b）来表示，它具有高频端下降的形状。设摄象管输出的信号电流为，则预放器输入信号电压为（4.4-4）其特性也是随频率升高而下降的。为了使预放器输出信号电压的总频率特性是平坦的，即预放器的频率特性输入电路的频率特性的乘积在信号频率范围内为一常数，则（4.4-5）上式表明，预放器的频率特性应随信号频率的增长而提升，如图4.4-2（c）所示。其输出总频率特性如图（d）所示。因此，预放器是一种高频补偿放大器，或者称为反杂波校正放大器。三、预放器的信杂比摄象机输出信号的信杂比必须大于dB时，才能在电视机荧光屏上获得比较满意的图象质量。近来，广播用彩色摄象机的信杂比已普遍大于dB，故图像质量就很理想了。摄象机的信杂比主要取决于预放器，因此，预放器的信杂比是一个很重要的问题。预放器的信号噪声来源大致有三个方面：一是摄象管本身产生的噪声电流，在理想情况下其信杂比可达dB以上，故对预放器总的信杂比影响不显著。二是输入电路中等效输入电阻所引起的起伏杂波，其大小为（4.4-6）上式中，k为波尔兹曼常数，等于1.×－焦耳/开氏度；T为室温（K）；为预放器低频增益，D为带宽，三是预放器第一级放大器所产生的杂波，也是对整个预放器信杂比起决定性作用的部分。由于场效应管具有高输入阻抗，低杂波以及高跨导等优点，故目前多被采用于第一级放大。也可以把场效应管的杂波以杂波电阻的形式等效到它的输入端，于是等效杂波电压为其中（为场效应管的跨导）。通过对放大器的计算，预放器输出端的信杂比（4.4-7）由上式可知，为了提高预放器的信杂比，必须：尽可能减少。可选用输入电容小的场效应管以及靶电极输出电容小的摄象管，并且在考虑摄象机结构时，尽量使靶电极引出线的分布电容为最小。选用大的场效应管。应加大[Page]，通常，摄象管的直流负载电阻选用较大，但太大会引起对外界干扰的敏感性，故常选用1MW左右，并应选择低噪声的金属膜电阻。另外，为了使预放器的频率特性少受输入电阻的影响，采用深度负反馈将预放器的交流输入电阻降低。在保证信号所要求的频率宽度前提下，预放器的频带D不宜调得太宽。4.4.2黑斑校正黑斑效应（Shading）是指由于电视图象的底色不均匀性，引起整个图象中出现大面积暗斑或色斑的现象。产生黑斑效应的原因是：分色棱镜（或二向分色棱镜）的色渐变效应；摄象管镜头的亮度不均匀性；摄象管靶面灵敏度及暗电流的不均匀性，或投射背景光的不均匀；扫描的非线性以及聚焦和电子束垂直上靶的不均匀性等等。为了消除黑斑效应的影响，除了尽量消除上述种种产生黑斑的因素外，还必须在电路中采取补偿校正措施。不过，还有些随机性的黑斑是无法通过电路来校正的，那只能设法消除其根源了。黑斑有两种类型，一种是图象信号本身没有畸变，只是迭加一些不均匀的附加信号，如不均匀的背景光照射引起的阴影等；另一种是摄象管输出的图象信号本身受到一种附加信号的调制，如摄象管靶面灵敏度的不均匀性引起的信号不均匀。对前一种黑斑的校正称为静态校正（或称加法补偿），只要在电路中产生一个与附加信号波形相反的校正信号即可，如图4.4-3（b）所示。对后一种黑斑的校正，称为动态校正（或称乘法补偿），也是在电路中产生一种与附加信号波形相反的校正信号，所不同的是用该校正信号对图象进行再调制，如图4.4-3（c）所示。所用校正信号常有两种，即行、场消隐脉冲信号积分而得到的行频与场频的锯齿波信号，以及再一次积分而得到的行频和场频抛物信号，每一种校正信号的幅度和极性都能任意调节，并组合在一起，形成*的全校正信号，图4.4-4示出了产生黑斑补偿信号的方框图。调节该图中四个电位器W1、W2、W3和W4就可得到现场所需补偿信号的类型（锯齿或抛物或二种都要）、极性和幅度。图中混入消隐信号的目的，是为了避免黑斑补偿信号对正常消隐电平的影响，保证经过补偿的图象信号中，消隐电平平整。4.4.3轮廓校正（增强）1.5.3节曾指出，孔阑效应使得图象清晰度和细节对比度下降。为此，必须对图象信号进行处理，从而提高图象清晰度，这种处理称为轮廓校正或孔阑校正。近年来，由于图象处理技术的发展，提出了图象增强的概念，就是使图象中的轮廓和细节的分界线得到加强，从而加强图象的清晰感，把即使原来就不清晰的图象处理得更清晰，这时已不再是“校正”，而是人为的“增强”了，这种技术称为轮廓增强。它与轮廓校正的目的与方法是一致的。孔阑效应的特点是对信号频谱的影响反映为高频频福特性衰减，而相频特性不变。所以，无论是轮廓校正或增强，其实质都是提升幅频特性的高频端，而不改变其相频特性。方法是首先取出图象信号中与有亮度突变的图象轮廓边缘相对应的部分，经加工处理后再加到信号中去，以补偿该部分因孔阑效应而造成的边缘模糊，提高图象的清晰度。轮廓校正通常由水平轮廓校正和垂直轮廓校正两部分组成。这里只介绍水平轮廓校正（增强）的方法。关于垂直轮廓校正的基本思想与水平轮廓校正是一致的。图4.4-5示出了水平轮廓校正的电路方框图与波形图，图m1（t）是一个水平孔阑畸变的图象信号，前后沿较差。m1（t）通过低通滤波器后变成为失去更多高频分量的m2（t），因此前后沿更坏，使m1（t）减去m2（t），便得到一个行轮廓信号m0，把m0加到m1（t）中去就得到水平轮廓鲜明的图像信号。为了使轮廓信号不发生相位畸变，因此，m1在与m2相减前先经过一个延时线以均衡低通滤波器所延迟的时间。由于混在校正信号m0的杂波可以切除，故因校正而引入的杂波很小。4.4.4彩色校正2.4.2节曾指出，为了正确重视被摄景物的彩色，摄象机的光谱响应特性应与接收端显象三基色的混色曲线相一致。图2.4-3表明，显象管的三条混色曲线中，每条曲线除了各自具有的正主瓣外，还有正次瓣、负次瓣。摄象端的摄象特性都只能提供出近似的主瓣响应（主要靠分色棱镜），提供正次瓣响应是困难的，提供负次瓣响应更不可能，因此，不采取补偿措施，重现的颜色必然会产生失真。[Page]解决这个问题的方法称为彩色校正，通常有两种方法：其一是修*，或称缩窄主瓣法，其二是线性矩阵法。一、修*对比公式（2.2-）和（2.4-），假如摄象机的光谱响应曲线与显象管混色曲线相同，则R0＝Re，G0＝Ge，B0=Be。由于实际的摄象机光谱响应曲线无负值存在，故有R0>Re，G0>Ge，B0>Be。为此，应将实际摄象机的光谱曲线中靠近负次瓣的正主瓣部分也去掉一小部分，使正主瓣去掉的面积大致等于负次瓣的面积，如图4.4-6所示。从而达到R0＝Re，G0＝Ge，B0=Be的目的。二、线性矩阵法线性矩阵法是在*通道中采取措施，从电路上产生出相当于次瓣的电压加到主瓣电压中去。观察图2.4-3可知（l）负次瓣对应于（l）的主瓣范围内，（l）的正次瓣对应于（l）的主瓣范围内。因此，若将彩色摄象机的绿色信号电压G引出一路来，乘以合适的系数b并倒相，就可当作（l）的负次瓣应具有的电压；又将蓝色信号电压B引出一路来，乘上合适的系数c后，就可当作（l）正次瓣应具有的电压。对于（l）和（l）的负次瓣，可以类似地处理，于是得（4.4-8）式中，、、是经过线性矩阵校正彩色后的电压，R、G、B是未经彩色校正的*机输出电压。a、b…h、i是9个矩阵系数。其中a、b、i是各路本身信号的系数，通常在1～1.5范围内，其余6个必小于1，且b、e、f、h必为负值，c必为正值，g可能是正或负（g一般为负值），视设计而定。这些关系从图2.4-3可以看出来。为了保持白平衡，对于基准白色，三路*机输出信号R、G、B幅度通常调到相等（假设等1）。彩色校正后的三路输出信号也应该具有Rc＝Gc＝Bc＝1的关系，而保持白平衡不受影响，故应有由此表明，9个矩阵系数中，只有6个*的。应用线性矩阵的关键，是正确地选定矩阵系数。然而矩阵系数的确定与照明光源、优选的被摄景物颜色、变焦距镜头、分色棱镜和摄象管等因素有关，它们的最佳值是用电子计算机来求得的。如果矩阵系数数值不当，效果可能适得其反，出现更严重的颜色误差。然而，若矩阵系数确为最佳，事实证明可使重现颜*真度大为提高。在实际中，通常选择若干种（种左右）对人眼敏感的颜色（如肤色等）进行试验，根据实际效果进行调整，最后确定矩阵系数的最佳值。彩色校正矩阵电路的实现并不复杂，利用倒相放大器（可以获得不同极性的信号输出）和电阻矩阵网络（保证各信号的比例关系）即可组成。当各电阻值调到恰好符合矩阵系数要求后，在*机工作过程中，将不再调整，故这种彩色校正也称为固定彩色校正。由于靠线性矩阵提供的次瓣形状并不与理想的十分相符，所以经校正后得到的光谱响应曲线还是同（l）、（l）、（l）有一定出入的，也就是说，要求电视*完全准确地重现出景物的彩*象，事实上是不可能的。4.4.5g校正一、g校正的必要性1.2.2节中曾指出，光电转换特性的非线性会引起图象非线性失真，它表现在两个方面，其一是灰度失真，即电视图象亮度层次的压缩与扩张；其二是色度失真。图4.4-7示出灰度非线性失真的情况，设被摄景物是图（b）所示的一幅亮度逐级均匀变化（共包括六个灰度级）竖条图案，其亮度变化示于图（c）。当*按图（a）中的的转换特性，进行传输时，重现度将如图（d）所示，即亮度区对比度大，暗区对比度减少。如果*有的转换特性，则重现图象的亮度变化将如图（e）所示，此时亮区对比度，减少而暗区对比度加大。产生前一种情况的*，称为具有亮度（级数）均匀扩张（白扩张）特性的*；而后一种*则称为具有亮度（级数）均匀压缩特性的*。对于光电转换非线性的彩色电视*，除了存在上述亮度失真外，还存在着色度失真。其规律可用图4.4-8来说明。三基色及其三补色的色度不受传输*非线性的影响，重现彩色在色三角形中的坐标位置不变。C白的色度不受的影响，重现C白的坐标位置也不变。其它多种彩色经[Page]>1的*传输后，色度坐标将向三角形的三边或三顶点方向移动；而<1时，移动方向恰好相反，即向三角形中心或三边中心靠近，就三角形内各点代表的彩色而言，前一种情况下饱和度增强，后一种情况下饱和度下降。因此，光电转换非线性的彩色电视*不仅存在亮度失真，而且还存在色度失真。前者不易被察觉，而后者都较容易引起注意。因此，色度失真必须*在按人眼色差刚辨别阈所确定的容限之内（可根据图2.2-估算）。因此，g校正是必要的。二、g校正的基本方法实现g校正常用的两种方法：二极管非线性校正（连续式校正）和二极管开关式校正（折线式校正）。连续式校正原理如图4.4-9所示。在小信号时，二极管的内阻是非线性的，如图（b）所示。当输入线性锯齿波电压U1时，由于二极管D的内阻非线性，经分压输出U2也是非线性的，它接近所要求的g校正特性曲线。这种电路最为简单；但易受二极管本身温度特性之影响，稳定性差，必须进行补偿措施。折线式校正原理如图4.4-所示，该电路中的二极管主要不使用于小信号的非线性状态，而是利用二极管的开关特性。图中四个二极管的偏压不一样，当输入线性锯齿波电压U1时，随着U1的增大，四个二极管先后逐个导通，改变了分压比，使输出电压U2分为五段，其折率一段比一段小，由此五段折线所形成的特性曲线能调节变化，使其近似所要求的g校正特性曲线。因此电路虽比较复杂但很稳定。4.4.6基准电平稳定图象信号是一种随时间变化的信号电压，它以固定的消隐电平为基准，在一个方向上变化，它包含被摄景物中的背景、彩色细节、运动状态等。从频谱上看，它既有直流分量，又有交流分量。但在传输*中，不可能全部采用直流放大，因为这样做，既不稳定，又不经济。通常都采用交流耦合传输，这样，代表背景的直流分量就被丢失了，固定的基准电平发生变化，使传输*动态范围增加，*了彩色底色平衡而产生畸变。图4.4-表示图象信号传输时，直流分量丢失的情况。图象信号经交流耦合后，使原来的直流分量丢失，作为电平基准的消隐电平，变为高低不平了。如果设法把消隐电平的顶部拉在同一电平上，恢复到原状态，这叫做直流恢复。完成这种作用的电路，叫做钳位电路。钳位电路不仅能恢复直流分量，而且尚有改善*信号的低频失真的消除迭加型低频交流干扰的作用。一个低频特性差的图象信号，场扫描期间的行消隐电平如图4.4-（b）那样是倾斜的。通过钳位就把倾斜特性钳平了，如图（c所示）。图4.4－（a）是有低频交流干扰的图象信号，当把消隐电平钳到某一固定电平时，就消除了交流干扰，如图4.4-（b）所示。在电视收、发*中，钳位电路用得极其普遍。一般来说，在信号进行非线性变换之前，都要先进行钳位，尔后进行变换。例如，g校正、平衡调幅，同步分离等等，这一点应引起读者的注意。钳位电路有强迫和非强迫钳位之分。通常三极管的强迫钳位用得较多，它的实际电路如图4.4-所示。图是钳位三极管，用以代替钳位二极管的作用，在的基极上输入一列出现在行消隐期间的行频脉冲（钳位脉冲）。当有钳位脉冲时，不管被钳位的信号为何电平，三极管总是及时饱和导通，电容C通过前级输出电阻和的饱和内阻迅速充电，这时输入信号脉冲被钳位集电极电位上（近似等于发射极的电位）。当钳位脉冲过后，C通过前级输出阻抗和下级输入阻抗放电。这两级通常采用发射极跟随器。它们具有低的输出阻抗和高的输入阻抗，这就保证了电容C的迅速充电和缓慢放电。在钳位三极管的发射电路接入电位器W，用来调节钳位电平，为了不使钳位脉冲对图象信号产生干扰，钳位脉冲应比消隐脉冲窄一些，即图中两个信号的脉宽应有下列关系：。在摄象机中调整基准电平（PedestalLevel）或黑电平（BlackLevel），都是通过调整钳位电平实现的。本章节完结，请继续浏览下一篇[Page] 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