电视原理

电视原理

本书是一部系统地讲述电视原理及其最新实用性技术的新作。共分六章：

前三章讲述黑白和彩色电视传象的基本原理与彩色电视制式，并包括与学习电视技术有关的视觉特性、光度学和色度学等知识；

四、五两章以广播电视系统为例，系统地讲述电视图像信号的摄取、处理、发送、接收与图像重现的原理及其实用性电路；

第六章介绍电视新技术，如卫星电视、数字电视、高清晰度电视、立体电视、电缆电视和电视多工广播等。     

本书的特点是深入浅出，简明易懂；理论紧密联系实际。书中涉及的内容广泛、凝聚了现代电视技术的主要最新成就。     本书可作为大专院校电子、通信等专业的教材或参考书；亦可供从事电视科研、生产、运行、维修的人员阅读；也适宜于有一定电子技术基础知识的青年作为自学读物。  

    前 言     最近20多年，电视技术在全球范围内得到了迅猛的发展和空前的普及。种类繁多的电视设备已遍及人类所能涉足的每个角落，它还捷足先登，比人类更早地进入宇宙外层空间，成为名副其实的“千里眼”。目前，我国的工业、农业、教育、卫生、科研、国防等项事业记者都已广泛地应用电视技术，电视机在我国城市和部分农村得到普及。在电子工业中，电视工业首屈一指，独占鳌头，我国从事电视设备科研、生产、运行和维修的人员组成了一支浩浩荡荡的“百万大军”。         为了振兴电视工业，使我国的电视生产超超世界先进水平，让我们的电视产品牢牢地占领国内市场和走向世界，保证到达用户手中的电视设备（包括电视机）高效安全地工作，必须尽快地提高和更新这支“百万大军”中青年一代的理论水平和知识结构，增强我国电视产品在国际激烈竞争中的实力。为此目的，现将这本《现代电视学》奉献给读者。         本书是一部系统地讲述现代电视技术及其原理的新作。共分六章：前三章讲述黑白与彩色电视传象的基本原理、彩色电视制式、并包括与学习电视技术有关的视觉特性、光度学和色度学等知识；四、五两章以广播电视系统为例，系统地讲述电视图象信号的摄取、处理、传输、发送、接收和图象重现的原理及其实用性电路；第六章介绍电视新技术，如卫星电视、数字电视、高清晰度电视、立体电视、电缆电视和电视多工广播等。     本书最大的特点是深入浅出，简明易懂；书中涉及的内容广泛，凝聚了现代电视技术主要的最新成就。它不仅具有一定的理论高度，而且特别注重理论联系实际。作者遵循“少而精”和“循序渐进”的原则，合理选材，篇幅适中；全书的内容编排充分地体现了知识的系统性、科学性和新颖性。     本书根据电子工业部教材编审会员“电视原理”教学大纲编写，可作为大专院校电子、通信等专业的教材或参考书；亦可供从事电视科研、生产和维修的人员阅读；本书力求文字通俗易懂，并配之以大量插图，因此适宜于具有一定电子技术基础知识的青年作为自学读物。     作者从事电视的生产、科研和教学近二十个春秋，本书是作者在高等院校多年教学的讲义基础上编写而成的。我校谈新权和卢益民、北京邮电学院张荐青、清华大学王贻良和尤婉英等五位（副）教授先后审阅了本书，提出了许多宝贵的意见。本书的编写还得到我校电子与信息工程系主任黄载禄教授、黄铁侠教授和其他许多朋友的热情帮助，在此一并致谢。     在编写本书的过程中，参考了国内外大量文献和兄弟院校的内部讲义，在此向同行们深表感谢。     夏去曦为本书绘制了全部插图的底稿，并做了大量的审校工作，她为促成本书迅速与读者见面付出了辛勤的劳动。     由于作者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，敬请读者批评指正。     作者 1987年7月于华中理工大学

 

目 录 绪论  

 第一章 黑白电视原理     §1.1 光和视觉特性         1.1.1 人眼的构造和感光机理         1.1.2 光的特性与度量         1.1.3 人眼的亮度感觉特性         1.1.4 人眼的分辨力与视觉惰性     §1.2 黑白电视系统组成原理         1.2.1 图象分解与顺序传送         1.2.2 光电转换原理     §1.3 电视扫描与同步         1.3.1 水平偏转与垂直偏转         1.3.2 逐行扫描与隔行扫描         1.3.3 圆扫描和螺旋扫描         1.3.4 扫描同步原理     §1.4 黑白全电视信号         1.4.1 黑白全电视信号的组成         1.4.2 黑白全电视信号的频谱结构     §1.5 电视图象的基本参量         1.5.1 图象的几何特性         1.5.2 图象的亮度、对比度与灰度         1.5.3 图象清晰度与电视系统分解力         1.5.4 视频信号带宽、场频与扫描行数的确定  

 第二章 色度学与彩色电视     §2.1 光与颜色         2.1.1 光与光源         2.1.2 颜色及其视觉理论         2.1.3 三基色原理与混色规律     §2.2 颜色的计量系统         2.2.1 RGB计色制与麦克斯韦三角形         2.2.2 XYZ计色制与CIE色度图         2.2.3 均匀色标制     §2.3 电视中彩色的分解与重现         2.3.1 彩色电视系统的组成原理         2.3.2 彩色图象的分解         2.3.3 彩色图象的重现     §2.4 电视RGB计色制与彩色正确重现         2.4.1 电视RGB计色制         2.4.2 彩色的正确重现  

第三章 彩色电视制式     §3.1 概述     §3.2 兼容制彩色电视基础         3.2.1 实现兼容的基本措施         3.2.2 恒定亮度原理         3.2.3 g失真破坏恒定亮度原理         3.2.4 标准彩条信号     §3.3 NTSC制         3.3.1 正交平衡调幅与同步检波         3.3.2 色度信号幅度的压缩         3.3.3 波形图与矢量图         3.3.4 Y、I、Q制         3.3.5 NTSC制的编码器和解码器         3.3.6 副载频的选择与亮色相互干扰         3.3.7 NTSC制的主要性能     §3.4 PAL制         3.4.1 PAL制的基本原理         3.4.2 亮色频谱交错与相互干扰         3.4.3 梳状滤波器         3.4.4 PAL制的性能     §3.5 SECAM制简介  

第四章 电视摄象与发送技术     §4.1 广播电视系统的组成     §4.2 电视摄象机         4.2.1 三管（片）式彩色摄象机         4.2.2 摄象机的光学系统     §4.3 摄象器件         4.3.1 视象管         4.3.2 氧化铅管         4.3.3 固体摄象器件     §4.4 电视图象信号的处理         4.4.1 预放器         4.4.2 黑斑校正         4.4.3 轮廓校正（增强）         4.4.4 彩色校正         4.4.5 γ校正         4.4.6 基准电平稳定     §4.5 同步信号的形成         4.5.1 同步信号的定时         4.5.2 同步信号的形成         4.5.3 台从锁相与台主锁相     §4.6 PAL全电视信号的形成         4.6.1 PAL编码器         4.6.2 PAL制色同步信号的迂回消除     §4.7 电视信号的发送         4.7.1 电视信号的发送方式         4.7.2 电视发射机         4.7.3 电视转播机  

第五章 电视接收技术     §5.1 电视接收技术概述         5.1.1 电视的接收方式与信号分离         5.1.2 黑白电视接收机的组成         5.1.3 彩色电视接收机的组成         5.1.4 集成电路电视接收机的组成     §5.2 高频调谐器         5.2.1 高频调谐器的作用、组成和主要性能指标         5.2.2 电调谐和AFT原理         5.2.3 节目预选     §5.3 图象通道电路         5.3.1 图象中频放大电路         5.3.2 声表面波滤波器（SAWF）         5.3.3 自动增益控制（AGC）电路         5.3.4 图象中频系统集成电路     §5.4 解码电路         5.4.1 概述         5.4.2 亮度通道         5.4.3 色度通道         5.4.4 副载波恢复电路         5.4.5 解码电路的集成化     §5.5 同步分离电路         5.5.1 幅度分离         5.5.2 自动杂波抑制（ANC）电路         5.5.3 频率分离电路     §5.6 扫描电路         5.6.1 概述         5.6.2 扫描电路的同步方式         5.6.3 场输出电路的演变         5.6.4 行输出电路与逆程供电         5.6.5 扫描非线性失真的校正         5.6.6 行、场扫描集成电路     §5.7 显象管及其附属电路         5.7.1 黑白显象管         5.7.2 彩色显象管         5.7.3 彩色显象管的附属电路  

第六章 电视新技术概论     §6.1 卫星电视广播         6.1.1 概述         6.1.2 卫星电视广播的频段选择         6.1.3 卫星电视广播制式的探讨         6.1.4 卫星电视广播的若干问题     §6.2 数字电视         6.2.1 概述         6.2.2 电视信号数字化的基本方法         6.2.3 彩色电视信号的编码标准－－CCIR 601号建议         6.2.4 数字电视压缩码率技术     §6.3 高清晰度电视（HDTV）         6.3.1 概述         6.3.2 扫描系统及图象质量         6.3.3 彩色的传送和信号的形成     §6.4 共用天线电视（CATV）系统         6.4.1 概述         6.4.2 CATV系统的技术要点     §6.5 电视多工广播         6.5.1 概述         6.5.2 电视文字广播（Teletext）         6.5.3 电视多路伴音广播     §6.6 立体电视         6.6.1 立体电视         6.6.2 实现立体电视的方式

 

绪 论       电视（Television）是当代电子学的伟大奇迹。它把世界带到您的家中供您听、看。它是用无线电电子学的方法，实时地远距离传送活动或静止图像的一门技术。其工作原理与无线电广播颇相似。在无线电广播里，声音变成电磁波发射到空中去，收音机再将电磁波变成声音；在电视里，通过发送端的光一电转换把景物图象变成电信号（称为电视信号），并通过电磁波或电缆传送到接收端，再经光一电反变换重显出原来景物的图象。它不仅极大地扩展了人们观看景物的距离，而且还使人们能够观察黑夜中、物体内、显微镜下的景物。     有关电视的实验在一百多年以前就开始了，纵观电视的发展，它经历了机械黑白电视、电子黑白电视和彩色电视三个阶级。1884年德国人P·G尼普科夫（Nipkov）做出了第一个电视装置；1925年英国的J·L贝尔德（Barid）表演了实用的机械电视；1936年英国贝尔德电视公司首次进行电子黑白电视广播，从此人类进入了电子广播电视的新时代。1940年美国的哥德马克（Goldmark）发明了场顺序制彩色电视，由于它不能与黑白电视兼容，因此得不到推广。1953年美国发明了世界上第一个兼容制的彩色电视制式－－NTSC制。1960年以后法国和德国（布鲁赫教授）针对NTSC制的缺点，发明了另两种兼容彩色电视，它们分别是SECAL和PAL制，这两种电视制式都在1967年正式开播，从而形成了当代并列的三大兼容制广播彩色电视制式，并分别得到世界各国的采用。我国1959年开始了黑白电视广播，1973年又开始了彩色电视广播，并采用PAL/D制。     目前电视的发展日新月异、方兴未艾。有人认为：电视的发展可分为三代，第一代为目前彩色电视，第二代是高清晰度电视，第三代是立体彩色（高清晰度）电视。目前的彩色电视的清晰度、真实感、收看效果等方面都远不及电影，只相当8～16mm电影胶清晰度。随着信息社会的到来，作为人类获取外界信息重要手段的电视，已经难以满足显示精确图形与其它各种信息的要求。高清晰度电视（High Definition Television）正是能提供更丰富图象信息的新一代电视。     数字电视是当代电视发展的重要分支，其发展可追溯到70年代初。1972年英国研制成第一台数字电视制式转换器，它标志着数字电视的延生；尔后，数字电视蓬勃发展。1982年国际上制定的601号文件是发展数字电视的纲领接收机。数字电视与模拟电视相比，具有一切数字设备共同的优点，我们有理由相信，不远的将来新一代的数字电视将全面地取代目前的模拟电视。     电缆电视最初起源于共用天线电视系统，它能够给居住在高层建筑或者收看条件困难的居民提供的优质电视图象。目前电缆电视的主要发展方向是光纤系统，与计算机系统联网，开辟双向传输业务，实现可视数据的通信与广播。     电视的多工广播包括双伴音，立体声广播和文字广播。它们利用时分复用和频分复用技术增加声音普通电视频道的传输信息量。     电视摄象和显象器件主要向固体化方向发展，CCD摄象机和液晶显象器件已有商品出售，录像机向更小型化方向发展，电视唱片，电视唱片（Video Disc）激光方式和电容方式等多种形式，其存贮量之大和检索之快实在令人欢欣鼓舞，基其应用远远超出广播电视的范围。     卫星直播电视为广播电视的传输出辟了最新的途径。它可省去成百上千地地面广播设施。对于幅员辽阔的我国，仅需一个同步卫星，就能覆盖整个中国。     目前广播电视正面临着一场系统性的变革，可以预料，21世纪的电视发展将会出现一个更高峰。     电视技术主要包括电视信号的产生；处理、存贮、发送、传输和接收等技术。电视技术的发展和变革关联到许多学科。比如光度学，色度学，视觉心理学，以及无线电技术，微电子学，计算机技术等。本书作为电视技术的基础，主要解三部分内容：〔1〕讲述有关光度学、色度学、视觉心理学的有关知识；〔2〕重点介绍电视技术中于电视信号的产生、处理、发送、接收和显象等方面的知识；〔3〕对电视新技术作概略性的介绍，着重说明各种新技术包括主要内容的和当前主要的研究方向。

第一章 黑白电视原理

电视分黑白电视与彩色原理。黑白电视只能传送景物的亮度信息；彩色电视不仅能传送景物的亮度信息，不还能传送景物的彩色信息。彩色电视是在黑白电视与色度学的基础上发展起来的。

本章重点介绍黑白电视传象的基本原理。首先介绍光学和人眼视觉特性的有关知识，因为它们是学习电视传象技术的基础；然后讲述黑白电视系统的组成，电视扫描与同步原理，黑白全电视信号以及电视图象的基本参量等内容。

§1.1 光和视觉性

1.1.1 人眼构造和感光机理

一、人眼的构造

眼睛的外形是一个直径大约为23mm的球体，其水平断面，如图1.1－1所示。

 

眼球由多层组成，最外层是较硬的膜，前面1/6部分是透明的角膜，光线由此进入，其余5/6部分为巩膜，作为外壳保护眼球。角膜内是前室，含有水状液，对可见光是透明的，能吸收一部分紫外光。前室后面是虹膜，其中间有一直径可在2～8mm间变化的小孔，称为瞳孔，相当于照相机的光圈，调节进入眼睛的光通量。瞳孔后面是永晶体，它是扁球形弹性透明体，能起透镜作用，其曲率由两旁的睫状肌调节，从而改变它的焦距，使远近不同的景物都在视网膜上清晰成象。永晶体的后面是后室，它充满了透明的胶质，起着保护眼睛的滤光作用。后壁则为视网膜，它由无数的光敏细胞组成光敏细胞按其形状分为杆状的细胞和锥状细胞，锥状细胞有700万个，主要集中在正对瞳孔的视网膜中央区域称为黄斑区。此处无杆状细胞，越远离黄斑区，锥状细胞越少，杆状细胞越多，在接近加缘区域，几乎全是杆状细胞。

杆状细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度极高，是锥状细胞感光灵敏度的10，000倍。锥状细胞既能感光，又能感色。两者有明确的分工：在强光作用下，主要由锥状细胞起作用，所以在白天或明亮环境中，看到的景象既有明亮感，又有彩色感，这种视觉叫做明视觉（或白日视觉）。在弱光作用下，主要由杆状细胞起作用，所以在黑夜或弱光环境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，没有彩色感，这种视觉叫做暗视觉。

锥体细胞和杆状细胞经过双极经胞与视神经相连，视神经细胞经过视经纤维通向大脑，视神经汇集视网膜的一点，此点无光敏细胞，称为盲点。

二、感光机理

感光过程大致分为四个步骤：

第一步：景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“光象”。视网膜上各点光敏细胞受到不同强度有光刺激，锥体细胞和杆状细胞中的感光包色素分别是视紫蓝质和视紫红质，它们受光照后发生化学变化，化学变化向相反方向进行。

第二步：因上述光学变化使视网膜上点产生与光照度成正比的电位，即在视网膜上将“光象”变成“电位象”。

第三步：视网膜上各点的民位分别促使各对应的视神经放电，放电电流是振幅恒定而频率随视网膜电位大小变化的电脉冲。换句话说，视神经将网膜的“电位象”按频率偏码方式传送给视觉皮质。

第四步：视觉皮质通常用接收到多达200万个频率编码的电脉冲信号，首先将它们分别存入视网膜光敏细胞相对应的细胞特殊表面中，然后进行综合的图像信息处理使人产生视觉，看到景物的图象。关于视觉皮质图像信息处理，还是一个谜，人们正处于研究与探索之中。

1.1.2 光特性与度量

一、光的特性

光学和电磁场理论指出：光是一种可以看得见的电磁波，它具有波粒二象性－－波形性和微粒性。电磁波的谱极为宽广，它包适无线电波、可见光谱、紫外线、X射线和宇宙射线等，它们分别占据的频率范围如图1.1－2所示。

可见光谱的波长范围在380～780mm之间，随着波长的变化，人眼主观感随之变化，表现为两个重要特性：

1、不同波长的不具有不同的光颜色。若光的波从780nm依次递减变化到380nm，光的颜色红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，比780nm更长的电磁辐射是红外线，比380nm更短的电磁辐射是紫外线。

2、辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度不相同。下面将详细说明这一重要特性。

 

二、辐射通量

所谓光源辐射通量就是指其辐射功率，而光源对某面积的辐射通量是指单位时间内通过该面积的辐射能量；光源总的辐射功率（或总辐射通量）是指单位时间内通过包含光源的任一球面的辐射能量。其单位是尔格/秒或者瓦（焦耳/秒）。

通常光源发出的光是由各种波长组成的，每种波长都是具有各自的辐射通量。光源总的辐射通量应该是各个波长辐射通量之和。例如图1.1－3表示甲、乙两种光源辐射功率波谱P（l ）的曲线，它表示辐射通量按波长分布的情况。甲光源是等能分布的，乙光源是非等能分布的。在某一极窄范围内的辐射通量（图中阴影线所示面积）为：

Wl ..l ＋dl ＝P（l ）dl (1.1－1）

总的辐射通量为

(1.1－2）

式中，W的单位为工率单位，如瓦。

三、相对视敏度函数

辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是不相同的。1933年国际照明委员会（CIE）经过大量实验和统计，给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对灵敏度，称为相同视敏度。表1－1给出了相对视敏度的最佳数据，图1.1－4是根据表1－1作出的曲线，称为相同视敏函数曲线。它的意义是：人眼对各种波长光的亮度感觉灵敏度是不相同的。实验表明：在同一亮度环境中，辐射功率相同的条件下，波长等于555nm的黄绿光对人的亮度觉最大，并令其亮度感觉灵敏度为1；人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均于黄绿光（555nm），故其它波长光的相对视敏度V（l ）都小于1。例如波长为660nm的线光的相对视敏度V（660）－0.061，所以，这种红光的的辐射功率应比黄绿光（555nm）大16倍（即1/0.061＝16），才能给人相同的亮度感觉。

 

当l <380nm和l >780nm时，V（l ）＝0。这说明紫外线和红外线的射功率再大，也不能引亮度感觉，所以红外线和紫外线是不可见光。这也是自然选择的结果。假如人眼对红外线也能反映，那么这种近似光雾的热辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰。

四、光通道

如前所述，在相同的亮度环境条件下，辐射功率相同波长不同的光所引起的亮度感觉不同；辐射功率不同，波长也不相同的光可能引起相同的亮度感觉。为了按人眼的光感觉去度量辐射功率，特引入光通量的概念，单一波长的光称为单色光称为单色光。其光通量F （l 1）等于辐射功率P（l ）与相对视敏度的乘积，

F（l 1）＝P（l 1）V（l 1）光瓦（1.1-3）

两个或两个以上波长的光称为复合光。其光通量等于各波长光通量之和，

光瓦 (1.1-4）

光通量的单位是光瓦和流明，1光瓦第于辐射率为1瓦波长为555nm的黄绿光产生的光通量。1流明等于绝对黑体在铂的凝固点温度下，从5.303×10-3平方厘米面积上辐射出的光通量。它们的互换关系是：

1光瓦＝680流明，1流明＝1/680光瓦。

 

1.1.3 人眼的亮度感觉特性

一、明暗视觉

在1.1.2节中讨论了人眼的相对视敏函数曲线，这条曲线表明的是在白天正常光照下人眼对各种不同波长光的敏感程度，它称为明视觉视敏函数曲线，如图1.1－5中粗曲线所示。明视觉过程主要是由锥状细胞完成的，它既产生明感觉，又产生彩色感觉。因此，这条曲线主要反映锥状细胞对不同波长光的亮度敏感特性。

 

在弱光条件下，人眼的视觉过程主要由杆状细胞完成。而杆状细胞对各种不同波长光的敏程度将不同于明显视觉视敏函数曲线，表现为对波长短的光敏度感有所增大。即曲线向左移，这条曲线称暗视觉敏函数曲线，如图1.1－5中细曲线所示。在弱光条件下，杆状细胞只有明暗感觉，而没有彩色感觉。

二、人眼察觉亮度变化能力的有限性

人眼察觉亮度变化的能力是有限的。请看下面的实验：让人眼观察如图1.1－6（a）所示P1和P2两个画面，P1和P2的亮度均可调节。保持P1亮度从B缓慢递增至B＋D Bmin，直到眼睛刚刚觉察到两者的亮度有差别为止。此时，我们认为在这个亮度下的亮度感觉差了一级。用相同的方法，可以求出不同亮度的主观亮度感觉级数，并制成如图1.1-6（b）所示的曲线。曲线的意义是实际亮度变化所引起的主观亮度感觉变化。图中横坐标代表实际亮度的变化，以尼特（1nit=1cd/m2）为单位：纵坐标代表主观亮度感觉的级数。以上实验说明：

1、要使人眼感觉到P1和P2两个画面有亮度差别，必须使两者的亮度差³ D Bnin，D Bmin是有限小量，而不是无限小量。因此，人眼察觉亮度变化的能力是有限的。

2、对于不同的环境亮度B。人眼可觉察的最小亮度差D Bmin/B是相同的，并等于一个常数。换句话说，人眼亮度感觉的增量D S不是正比于客观亮度的增量D B，而是正比于亮度的相对增量D B/B，即

D S＝k（1.1－5） （1.1-5）

上式经积分后得

S＝k'1nB+R0=k1gB+r0 (1.1－6)

式中k=k' n10，k'、k0均为常数。上式表明：主观亮度感觉与客观亮度的对数成线性关系。并称之为韦伯费赫涅尔定律（Weber－FechnerLaw）。图1.1－6所示的曲线完全证明了这一点。

＝D Bmin/B称为对比度灵敏度阈或韦伯－费赫涅尔系数（Weber－FecnerRatio）。通常＝0.005～0.02，在亮很高或很低时，增大至0.05。在观看电视时，因杂散光影响，的值也可大些。

人眼亮度感觉的增量与客观亮度数成对比，这与人耳的听觉规律很相似；人耳对声音感觉的增量与客观声音响度的对数也是成正比的。它们都是长期生态演变的结果，使人眼形成对光强弱变化的适应性，否则人将无法受自然界光的刺激。

 

三、视觉范围

人眼能够感觉的亮度范围（称为视觉范围）极宽，从千分之几尼特直到几百万尼特。其所以如此之宽，是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用。瞳孔根据外界光的强弱调节其大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。在强光和弱光下，分别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者的灵敏度是前者的1万倍。图1.1－6所示的两条交叉曲线，分别表示杆状细胞和锥状细胞察觉亮度变化的关系。

四、明暗感觉的相对性

在不同的亮度环境下，人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的。例如对同一电灯，在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的。另外，当人眼适应了某一环境亮度时，所能感觉范围将变小。例如，在白天环境亮度10，000特时，人眼大约能分辨的亮度范围为200～20，000尼特，低于200尼特的亮度同感觉为黑色。而夜间环境为30尼特时，可分辨的亮度范围为1～200尼特，这时100尼特的亮度就引起相当亮的感觉。只有低于1尼特的亮度才引起黑色感觉。图1.1－6的曲线也说明了这一点，当人眼分别适应了A、B、C点的环境亮度时，人眼感觉到“白”和“黑”的范围如虚线所示，它们所对应的实际亮度范围比人眼的视觉范围小很多。并且A点的实际亮度对于适应了B点亮度的眼睛来说感觉很暗；而对于适应了C点亮度的眼睛来说，却感觉很亮。

根据人眼对实际亮度明暗感觉的相对性的察觉实际亮度变化能力有限性，在电视系统中，不必传送原景物的实际亮度，只需保持原景物点的相对亮度不变。通常只要保证景物最大亮度Bmax和最小亮度Bmin的比值C不变；C＝Bmin称为对比度。另外，对于人眼不能察觉的亮度变化，不必精确地重现，只要保证重视图像和原景物有相同的亮度级数。简言之，只要重视图象与原景物对人眼具有相同的对比度和相同的亮度级数，就能给人以真实的感觉。

1.1.4 人眼的分辨力与视觉惰性

1.1.3节已经指出人眼觉察亮度最小变化的能力是有限的。不仅如此，人眼对黑白细节的分辨力也是有限的；另外，人眼主观亮度感觉总是滞后于实际高密度的变化即存在所谓“视觉惰性”。下面分别加以说明。

一、人眼的分辨力

1.视角

观看景物时，景物大小对眼睛形成的张角叫做视角。其大小既决定景物本身的大小，也决定于景物与眼睛的距离。图1.1－7中A表示物体的大小，D表示由眼睛角膜到该物体的距离，则视角a按下式计算：

 

 

当视角a较小时，则aA/D。

2.视敏角

当与人眼相隔一定距离的两个黑点靠近到一定程度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，而只感觉到是连在一起的一个点。这种现象表明人眼分辨景物细节的能力是有一定极限的。我们可以用视敏角来定义人眼的分辨力。视敏角即人眼对被观察物体刚能分辨出它上面最紧邻两黑点或两白点的视角。

在图1.1－8中，L表示人眼与图象之间的距离，d表示能分辨的最紧邻两黑点之间的距离。q 表示视敏角，若q 以分为单位，则得到：

 

3.视觉锐度

人眼分辨景物细节的能力称为分辨力，又称为视觉锐度。它等于人眼视敏角的倒数，即分辨力＝。

4.影响分辨力的因素：

从生理上讲，视敏角决定于视网膜相邻光敏细胞间的距离，已加锥状细胞直径d' =5m m，眼睛焦距¦ ＝17mm，所以人眼日间视觉下的视敏角约为

 

视敏角为1' 的力眼，其视力为1.0；2' 的视力对应于0.5，这与医学上是相对应的。

影响分辨力的因素有：与物体在视网膜上成象的位置有关，黄斑区锥状细胞密度最大，分辨力最高。越是偏离黄斑区，光敏细胞的分布越稀，分辨力也就低。与照明强度有关。照度太低，仅杆状细胞起作用，分辨力大大下降，且无彩色感；照度太大，分辨力不会增加，甚至由于“眩目”现象而降低。与对比度Cr有关。Cr=[(B-B0)/B0]×100％，其中B为物体亮度与背景亮度接近，分辨力自然要降低。与被观察物体运动速度有关。运动速度快，分辨力将要下降。

 

若把人眼直线与目标方向的夹角（距眼球中心凹的度数）称为视线角，则人眼力辨力与视线角的关系如图1.1－9所示，它表明当目标方向偏离直视线时分辨力显著下降。因此，为了看清目标人眼将不断转动，以使目标的象落在中心凹上（即黄斑区）。

二、视觉惰性

视觉惰性是人眼看重要特性之一，它描述了主观亮度与光作用时间的关系。当一定强度的光突然作用于视网膜时，人眼并不能立即产生稳定的亮度感觉，而须经过一个短暂的变化过程才能达到稳定的亮度感觉。在过渡过程中，亮度感觉先随时间变化由小到大，达到最大值后，再回降到稳定的亮度感觉值，图1.1－10示出在不同亮度下亮度感觉随时间的变化过程。

另外，当作用于人眼的光线突然消失后，亮度感觉并非立即消失，亮度感觉并非立即消失，而是近似按指数规律下降而逐渐消失的。图1.1－11示出人眼对于较短时间的光脉冲B0的亮度感觉S变化的情况。

当光线消失后的视觉残留现象称为视觉暂留或视觉残留。人眼视觉暂觉留时间，在日间视觉时约为0.02秒，中介视觉时为0.1秒，夜间视觉时为0.2秒，中介视觉是介于日视觉与夜视觉之间的状态。人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。

 

眼睛在周期性的光脉冲刺激下，如果频率不高，则会产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看容易疲劳。如果将光脉冲频率提高到某一定值以上，由于视觉惰性，则不会再感觉到闪烁，则刚好不感觉到闪烁的最低频率称为临界闪烁频率（fk），它主要与光脉冲的亮度有关。计算它的经验公式是：

f_k=9.61gBm+26.6(Hz）

式中Bm为画面的最大亮度，单位为cd/m2。例如画面的最大亮度Bm＝100尼特时，fk＝45.8Hz，这一经验公式只能做近似计算，因为还有许多与临界闪烁频率有关的因素未考虑。比方，相邻画面的亮度、颜色的分布及其变化、观察者画面的距离和环境等。

当光脉冲的频率大于临界闪烁频率时，感觉到的亮度是实际亮度的平均值，即

S＝

式中B（t）为实际亮度的变化规律，T为光变化周期。

电影和电视正是利用视觉惰性产生活动图象的。在电影中每秒放24幅固定的画面，而电视每秒传送25幅或30幅图象，由于人眼的视学暂留特性，从而在大脑中形成了连续活动的图像。假设人眼不存在视觉惰性，人们将只会看到每秒跳动24次静止画面的电影，如同观看快速变换的幻灯片一样；同样，电视也将没有连续活动的感觉。

为了不产生闪烁感觉，在电影中每幅画面曝光两次，其闪烁频率为fv=48Hz。电视中，采用隔行扫描方式，每帧（幅）画面用两场传送，使场频（fv=50Hz或60Hz）高于临界闪烁频率，因此正常的电影和电视都不会出现闪烁感觉，并能呈现较好连续活动的图象。

 

§1.2 黑白电视系统组成原理

1.2.1

图象分解与顺序传送

语言广播基于声电转换原理。各种声音作用于人耳的声强是时间的单值函数，故声音电信号是关于时间的一维函数，即。这种电信号容易传送。而图象信号则不然，景物各点的亮度不同，是随空间位置变化的，且每一点的亮度又随时间而变化，故景物之亮度B是空间坐标x、y、z和时间t的四维函数，即

 

上式为黑白立体图象信号表达式。对平面图象而言有

 

因此，即使传遂平面图象信号也不容易，因任一平面均为无穷个点之集合，对于任一时刻t₀，拥有无限大的信息量。

仿“传真”技术，将平面图象分解成若干个小面积之和。当这些小面积小于一定程度时，由于人眼分辩黑白细节能力是有限的，故它在人眼看来是一个点。它们是组成图象的基本元素。用这些象素的亮度变化，代替整幅平面图象的亮度变化，这实质是对图象信号的空间抽样，将静止图象的信息从无限变成有限。

按我国的电视制式计算，一幅静止电视图象约包含48万个象素，传送这些象素的方法有两种：其一是同时传送，即采用48万个信道，对各象素的亮度分别进行传送，这在实际中显然是办不到的。其二是顺序传送，如图1.2－1所示系统。

 

将平面图象各象素的亮度按一定顺序转变成电信号，一个接一个地传送出去，在接收端按相同顺序在同幅型比之平面上恢复发端图象。当其传送速度快到一定程度时，由于视觉惰性和发光材料的余辉特性，我们将会感到整幅图象是同时发光而无顺序感，这就完成了一幅平面静止图象的传送。

对于活动图象，任一瞬间都有一幅对应的静止图象，在任一有限时间内将包含无穷多幅图象。利用视觉的惰性，电影技术每秒钟只传送24幅连续静止图象便可以获得活动图象，故广播电视每秒也只传送25帧（幅）或30帧图象，亦可得到活动的电视图象。这种方法可以看作是对活动图象信号的时间抽样。对图象信息的空间抽样和时间抽样极大地压缩了被传送的图象信息，使之从无限变成有限，从而达到技术可以传送的程度。

图1.2－1所示开关K₁和K₂是一种同步控制开关，当K₁和K₂按相同顺序依次接通收发两端对应象素时，发端图象的亮度分布就传送到收端并重现于显示平面上。实际顺序传送系统中的开关是由电子束扫描来实现的，其扫描顺序如看书的视线一样，从左至右，从上至下，一行行，一页页地扫过。在电视中，从左至右的扫描称为行扫描，从上至下的扫描称为场扫描。

使收发两端的扫描按照相同的规律进行称为同步。显而易见，同步乃是顺序传送的关键，一旦失去同步，收端就无法正确重现发端的图象。

从数学的角度看，扫描就是把空间坐标x和y变换成时间t的函数

 

将上式代入式（1.2－2）中，平面图象信号能转化成时间的一维函数，即

 

故能用单一信道传送，因此扫描实现了空间到时间的转换，简称为时空转换。

1.2.2

光电转换原理

电视技术传送图象基于光电转换原理。在发端利用摄象器件将景物的亮度变成电信号，在收端采用显象器件将电信号还原成图象亮度。摄象和显象器件都有直空器件和固体器件之分。本节仅以真空器件（摄象管和显象管）为例来说明光电转换原理。

一、摄象管

 

摄象管有好多种，现以光电导摄象管为例说明光到电的转换过程。光电导摄象管的结构如图1.2－2（a）所示，它主要由光电靶和电子枪两部分组成。光电靶是由光敏半导体材料制成的，这种材料具有在光作用下电导率增加的特性。需要传送的景物通过光学系统（镜头）在摄象管的光电靶上成象，由于光象各部分的亮度不同，靶上各部分（各单元）的电导率也发生了相应的变化。与较亮象素对应的靶单元的电导较大，与较暗象对应的靶单元的电导较小，于是景物各象素的亮度不同变成了靶面上各单元电导的不同，“光象”变成了“电象”。

电子枪的任务是发射电子束，聚焦线圈与偏转线圈产生的磁场，使电子束以聚焦状态按一定规律（即从左到右，从上到下，一行一行地）扫描靶上各点。当电子束接触到靶面某点时，电子枪（阴极）与信号板、负载R_L的电源E就构成一个回路，在负载R_L中就有电流流过，电流的大小取决于光电靶上该点电导率的大小。因此，当电子束按一定规律在靶面上扫描时，便在负载上集资得到与景物各点亮度相对应的电信号（称为图象信号）。从而完成了将图象分解为象素以及把各象素亮度按顺序转变成为相应电信号的光电转换过程，这一过程又称为图象的摄取过程。

应该注意，象素亮度越大，流过负载R_L的相应电流也越大，但是其输出信号电平将越低。

二、显象管

在收端是依靠显象管完成电到光的转换。显象管主要由电子枪和荧光屏两部分构成，如图1.2－2（b）所示。显象管的电^---光转换是应用荧光效应。荧光物如硫化锌在电子束的冲击下会发光，其发光强度取决于发射电子的数量与速度，只要用代表图象的电信号去控制电子束的强弱，再控电视摄象管中相同的规律来扫描荧光屏，便能完成由电到光的转换，重现电视图象。

三、γ校正

实验表明：显象管显示的亮度（B_d）与所加控制电压（E）的γ次方成正比，即

 

上式中，γ＝2.2～2.8，k₂o为常数。假设电信号在传输中未产生失真，为使重现图象亮度与原景物亮度（B₀）成正比，就必须使摄象所得的电信号（E₀＝k₁B₀）开γ次方后再传输出。即

 

带有γ校正的简单黑白电视系统如图1.2－3所示，在该系统中，重现图象的亮度为

 

 

因为为一常数，故电视系统经过γ校正后，重现图象的亮度就能与原景物的亮度成正比，从而克服了光电转换产生的图象亮度非线性失真。

　

§1.3 电视扫描与同步

如前所述，电视图象的摄取与重现实质上是一种光电转换过程，它分别是由摄象管和显象管来完成的。顺序传送系统在发送端将平面图象分解成若干象素顺序传送出去，在接收端再将这种信号复合成完整的图象，这种图象的分解与复合是靠扫描来完成的。

扫描三种方式：机械扫描，电子扫描，固体扫描。机械扫描方式用于机械电视系统，最有代表性的是1884年德国人尼普科夫制作的第一台电视装置，它是借助于尼普科夫圆盘来完成图象的分解和复合的。摄象管和显象管是采用电子束扫描方式；固体摄象和显象器件则采用固体扫描方式。本节只介绍电子（束）扫描，固体扫描见4.3.3节，关于机械扫描方式请看参考文献〔3〕。

根据电子束的扫描规律不同，电子扫描又分为直线扫描（包括逐行扫描和隔行扫描）、圆扫描、螺旋扫描等多种方式；但是，在广播电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，通常只采用匀速单向直线扫描方式，所以本节的重点是介绍逐行扫描、隔行扫描以及扫描同步原理。另外，为了帮助读者加深理解行、场偏转电流与电子束运动规律的相互对应关系，还特意介绍了圆扫描和螺旋扫描，不过后两者一般只用在特种工业电视系统中。

摄象管的电子束偏转角较小，可采用磁偏转和静电偏转两种方式。显象管的偏转角较大，故只采用磁偏转方式。下面以显象管的磁偏转为例介绍电子扫描的原理。

1.3.1

水平偏转与垂直偏转

一、水平偏转

显象管外套有水平和垂直两组偏转线圈，在有电流通过时分别产生垂直与水平方向的磁场。当电子束通过上述磁场时，将分别产生水平方向和垂直方向的扫描运动，图1.3－1（a）是电子束在水平偏转线圈作用下的扫描示意图。水平偏转线圈为一双上下对

 

称、水平放置的线圈，依右手螺旋定则，流经线圈的电流将产生垂直方向的磁场；据左手定则，电子束通过垂直磁场应产生水平偏转，从而实现电子束的水平扫描。

电子束偏离显象管中心轴线的夹角称为偏转角（ψ）。实验表明：当ψ较小时，电子束偏离屏幕中心的距离与偏转电流的数值成正比。当偏转电流i_H为图1.3－1（b）所示锯齿波电流时，电子束将作匀速直线扫描运动。在T_{H t}期间，i_H由正到负，电子束从右至左扫描，称为行扫描逆程。正程和逆程时间之和称为行扫描周期，且为行扫描频率之倒数1/f_H=T_H0α=T_Hr/T_H称为行扫描逆程系数。若电子束只有水平扫描运动而无垂直扫描运动，则在荧光屏上将呈现一条水平亮线，如图1.3－1（c）所示。

二、垂直偏转

图1.3－2（a）是电子束在垂直偏转线圈作用下的扫描示意图。一对垂直偏转线圈

 

产生水平方向的磁场，故电子束穿过该磁场时产生垂直方向的偏转，从而实现垂直扫描运动。同行扫描类似，当垂直偏转电流如图1.3－2（b）所示的锯齿波时，电子束将作匀速直线运动。在T_VT期间，电子束从上至下，称为场扫描正程；在T_{v r}期间，从下至上，称为场扫描逆程。称为场扫描周期，且为场扫描频率之倒数1/f_v＝＝T_v，β＝T_vr/T_v称为场扫描逆程系数。若电子束只有垂直扫描而无水平扫描，则荧光屏上将出现一条垂直的亮线，如图1.3－2（c）所示。

1.3.2

逐行扫描与隔行扫描

当水平和垂直偏转线圈中同时加入锯齿波电流时，电子束既作水平扫描又作垂直扫描，而形成直线扫描光栅，这称为直线扫描。它分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。逐行扫描是一行紧跟一行的扫描。隔行扫描是将一帧画面分成两场扫描，一场扫奇数行，称为奇数场；另一场扫偶数行，称为偶数场。奇、偶两场光栅均匀相嵌，构成一帧完整的画面。由于隔行扫描优于逐行扫描，所以广播电视中都采用隔行扫描方式。

一、逐行扫描

当水平和垂直偏转线圈中分别流过如图1.3－3（d）、（e）所示水平和垂直扫描电流时，就能产生逐行扫描光栅。图1.3－3（a）和（b）分别是场正程和场逆程期间的扫描光栅，图中实线是行扫描的正程线，虚线是行扫描的逆程线。其特点是：①行频是场频的整数倍，故相邻场的光栅重迭，形成逐行扫描的光栅。②f_H>>f_V，故电子束的水平运动速度大于垂直运动速度，从而形成水平倾斜的光栅。反之，若f_v>>f_H，则形成垂直倾斜的光栅。

在广播电视中，为了使图象均匀而清晰，在逆程期间不传送图象信号，故采取措施使行、场逆程期间电子束截止而不显示图象（或称消隐）。图1.3－3（c）是消去行、场回扫线后的正常光栅。为了提高传输效率，应使正程时间远大于逆程时间。即T_Hr>>T_Hr，T_{V t}>>T_{V r}。我国广播电视规定：。随着电视技术的发展，人们将利用逆程期间传送文字广播等辅助信息（见第六章）。

在逐行扫描中，若每场含有z行（z为整数），则。当z增加时，扫描光栅的水平倾斜角减小而趋于平直；当z足够大时，人眼将分辨不出行扫描的光栅结构，而只能看到一个均匀发光的平面。

 

二、隔行扫描

如果行频不等于场频的整数倍，则相邻场的光栅不能重迭，当时（n为整数），相邻两场的光栅就能均匀相嵌，形成隔行扫描的光栅。

在隔行扫描中，扫完一帧图象所需时间称为帧扫描周期T_v，其倒数1/T_V＝f_F称为帧频，并且存在的关系。我国电视规定。

若已知隔行扫描的行、场扫描电流波形，则可先找出行（场）的起点和终点位置，从而画出其扫描光栅。图1.3－4是隔行扫描的一个简例，设每帧有11行，，则每场有5.5行，即

 

第一步，依上述数据，较精确地画出行、场偏转电流波形，交给每行（场）的起点和终点编号。

第二步，根据在均匀磁场作用下，当偏转角较小时，扫描点在平面屏幕上的偏转距离与偏转电流近似成正比的原理（见参考文献〔2〕，P.68）；画出每行（场）起点和终点在屏幕上的位置，从而画出隔行扫描的光栅图。

 

隔行扫描分为奇数行隔行扫描和偶数行隔行扫描。前者每帧取奇数行，即，式中n为整数；后者每帧取偶数行，即。为了实现两场光栅均匀相嵌，前者场扫描波形简单，只要保证奇、偶两场周期相等即可。而后者必须要求寄、偶两场锯齿波电流有一微小偏移，如图1.3－5所示。使偶数场光栅相对于奇数场光栅恰好下移一个行距，这种场扫描电流波形等于正常的场锯齿波如图1.3－5（c）所示帧频矩形波之迭加。对帧频矩形波的幅度要求极严，否则两场光栅就会出现局部或完全并行，使垂直清晰度下降，这增加了技术上实现的难度，所以世界各国的广播电视都采用奇数行隔行扫描。

1.3.4

扫描同步原理

一、同步的必要性

同步是指收发两端在同一时刻，必须扫描在几何位置上相对应的象素点。为此，必须要求收、发两端行、场扫描都同步。行同步的条件是行扫描同频率及每行起始和终止时刻相同；场同步的条件是场扫描同频率且每场起始和终止时刻相同。简言之，只有行、场扫描同频同相，收发才能同步；否则，就会失步。下面举例说明。

 

1. 若收发场同步，但收端行扫描频率比发端偏高。就会出现向右下方倾斜的黑白相间带状图象，如图1.3－8（a）所示。其原因解释如下：假定收发都从第一行起点开始扫描，因收端行频偏高，发端第一行的内容未播完时，收端已经开始第二行的扫描了，故它把第一行消隐信号部分或全部移到第二行的正程，使第二行左边开始位置出现黑道。当发端第二行未播完时，收端第三行扫描更早地开始，于是把第二行的消隐信号，甚至某些图象内容又移到第三行，使第三行出现黑道。与第二行的黑道相比，向右推移了一段距离，……这样不断地向下向右推移下去，就出现向右下方倾科的黑白相同的带状图象。反之，当收端行频偏低时，会出现向左正文倾斜的黑白相间的带状图象，如图1.3－8（b）所示。

2. 若收发场同步，行扫描同频但不同相，假设相差半行时间。此时图象虽然可以稳定，但是出现图象左右割裂的现象，如图1.3－9（b）所示。

 

3. 若收发行同步，但收端场扫描频率比发端高，就会出现向下滚动的图象，如图1.3－10（a）所示。其原因是：因收端场频偏高，发端第一场未播完，收端已开始第二场扫描，这样发端第一场下部的内容和场消隐信号移到收端第二场的上方，而将发端第二场的内容顺序向荧光屏下方推移。依次类推，出现整幅图象和一水平黑条（场消隐信号形成）向下滚动的现象；并且接收机场频越高，图象向下滚动越快。反之，收端的场频低于发端时，图象将向上滚动，如图1.3－10（b）所示。

 

4. 若收发行同步，场扫描同频，但不同相，假设相差半场时间，此时图象虽然可以稳定，但是出现图象上下割裂现象，如图1.3－9（c）所示。

综上所述，扫描的同步在电视中是极其重要的，否则收端根本无法正确重现原景物的图象。

在实际的电视系统中，收发两端相对应的象素并非在同一时刻扫描，收端总有一些延时，只要所有象素延时时间相等，图象还是同步的，不会产生失真。

严格地讲，为了确保精确的同步，除了要求收发行场扫描同频同相外，还需要行、场扫描正程线性良好和具有相同的幅型比，这样才能真正保证扫描象素在几何位置上一一对应，图象才不会出现失真。

在电视中为了保证扫描的同步，通常在发送端有一同步机产生行、场同步信号。它们同时控制摄象管和显象管的行、场扫描，使两者保持同频同相。因此，摄象管和显象管的电子束就能在同一时刻扫描相对应的象素点。此外，同步机还产生行、场消隐信号，将行、场扫描回扫线消掉。

二、复合同步信号

 

要使摄象管和显象管的扫描同步，同步机每一行都产生一个行同步脉冲，用它的上升沿分别去控制摄象管和显象管行扫描电流的回程起点，如图1.3－11所示。回程起点为一个行周期的开始。由于收、发两端每一行的起点对准于于行同步的前沿，故行扫描频率相同，扫描的起始和终止时刻也相同，从而实现行扫描同步。

与此相似，同步机每一场都产生一个场同步脉冲，使收、发两端每场回程起点都对准于场同步的前沿，从而达到场扫描同频同相的目的。

为了用一个通道传送，所以在发送端将行、场同步信号结合在一起。如图1.3－12（a）所示。行、场同步信号分别规定这频率和脉宽各异的矩形脉冲。我国电视规定：

 

行频为15625Hz，行同步脉宽为4.7μs；场频为50Hz，场同步脉宽为：2.5H＝2.5×64=160μs。

行、场同步信号结合在一起的信号称为复合同步信号。在电视接收机中，用积分电路可以从复合同步信号中分离出场同步信号。因为行脉冲和窄干扰脉站积分后的幅度较小，而场同步脉冲较宽，积分后的幅度较大，可以达到场扫描电路触发转换工作状态的电平，如图1.3－12（c）所示。所以积分电路分离场同步时，抗干扰性能较强。另外，复俣同步信号经过微分电路，并用限幅器切除负脉冲，保留正脉冲作为行同步信号，如图1.3-12（b）所示。用积分电路和微分电路分离行、场同步信号的方法称为“频率分离法”。

三、场同步信号的开槽

由于场同步信号脉宽为2.5H，它覆盖2～3个行同步脉冲，在场同步期间没有行同步输出，如图1.3-12（b）所示。行扫描振荡器失去同上后对于再出现的行同步信号，并不能立即被它同步住。有一个所谓同步锁定时间，失步状态可能延及相当的行数，甚

 

至影响场正程开始的若干行图象，使屏幕上部的图象出现扭曲的现象。

为此，将场同步脉冲开槽，如图1.3－13所示使槽脉冲的上升沿对准原来被覆盖的行同步的前沿，经微分的限幅电路后，使原来丢失的行同步信号得以恢复。又因槽脉冲很窄（4.7μs），所以对用积分电路分离场同步信号没有影响。

四、前后均衡脉冲

在场同步脉冲开槽后，复合同步信号基本能使收端的行、场扫描与发端同步。由于采用奇数行隔行扫描和用积分电路取出场同步信号，因此会导致奇、偶两场起始时刻会有时间差异，即奇、偶两场的时间不能精确等于一帧时间的一半。一场稍多，另一场则稍少。奇、偶场时间的微小差异导致两场光栅不能精确相嵌，这使得垂直分解力大大下降，解决这个问题的办法是在场同步信号的前后加均衡脉冲。详细分析如下：

在奇数行隔行扫描系统中，每场都包含有半行。奇数场最后一行为半行，偶数场第一行为半行，最后一行为整行。由奇数场向偶数场过渡时，场同步前沿距其前面的行同步脉冲为半行，而偶、奇过渡时为一行，若将奇、偶两场的场同步前沿对齐，如图1.3-14（a）、（b）所示，则可能看出，两场行同步脉冲和槽脉冲的位置不相同。当这两种复合同步信号经过积分电路时，由于场同步前的行同上位置不相同，使得场同步积分的起始值不同，奇、偶过渡时高，偶、奇过渡时低；另外，由于槽脉冲对应位置不相同，两种过渡的放电时刻也不相同，因此两种过渡的积分波形不重合，如图1.3-14（c）所示。在接收机中，当用这种积分波形去触发场扫描发生器时，若设发生器的触发电平为某定值E，E与两种积分曲线的交点分别为a和b；且随着E值的不同，a可能超前或者滞后于b点，这就导致了奇偶两场的时间间隔不相同。但是每帧还是40ms（以我国广播电视为例），若奇数场大于20ms，则偶数场必小于20ms。

 

奇偶两场的周期不相等，使得奇偶两场第一行的起始位置不是相差半行，这就不能保证两场光栅精确的均匀相嵌。例如奇数场周期为19.9872ms，包含312.3行，偶数场为20.0128ms，包含312.7行，分别用实线和虚线画出奇数和偶数场的光栅如图1.3-15所示。由图可见，偶数场光栅并非均匀嵌套在奇数场的光栅之间，而是两场扫描线靠扰了。假如奇数场周期进一步减少到19.968ms（即312行），偶数场周期增大到20.032ms（即313行）时，两场光栅将完全重合，称为并行，所以垂直分解力将严重下降。

可见这种复合同步信号还不能保证隔行扫描的准确性，必须加以改进。应设法使得在场同步脉冲期间，这两种积分波形相重合。具体措施如图1.3-16所示：①在场同步脉冲前后各设5个频率等于二倍、脉宽等于行同步一半的脉冲。在场同步之前称为均衡脉冲，在场同步之后称为后均衡脉冲。前均衡脉冲使得奇偶两场场同上积分的起始值一致。为了使频率提高后行同步的平均电平不变，所以均衡脉冲的脉宽只取行同步的一半。②将场同上中的槽脉冲增加到5个，并使它们在奇、偶两场场同步中的位置对应相同，这使奇偶两场场同步对积分电路的充放电时间相同。所以两种过渡的积分曲线将完全重合，从而保证了隔行扫描的准确性。

 

后均衡脉冲可以保证积分波形在较宽的范围内一致。在以前制定标准时，有人认为，它对某些场同步分离有利，可以更好地保证两场光栅精确的相嵌；但是，现在看来作用不大，成为一种对称性的摆设。由于它并无坏处，并且不增加电路上的复杂性，所以就一直沿用至今。

增加均衡脉冲和槽脉冲的个数后，对行扫描的同上并无影响，这个问题在学完5.6.2节中关于AFPC电路的工作原理后就会明白。

 

 

§1.4 黑白全电视信号

1.4.1 黑白全电视信号的组成

电视为了重现图象，必须传送图象信号；为了消去行、场扫描的回扫线，使其不干扰正常的图象，必须传送行、场消隐信号；为了保证扫描的同上，必须传送复合同步信号。为了让这三种信号能用一个通道传送，并在接收端可以方便地将它们分开，必须在发端按一定规律将这三种信号组合起来，这个合成信号称为黑白全电视信号。

上一节已经介绍了复合同步信号。本节先介绍图象信号和复合消隐信号的特点，然后介绍黑白全电视信号的合成，最后讨论黑白全电视信号的频域的时域特性。

一、图象信号

图象信号是携带着一行行、一场场景物信息的电信号，通常它是由摄象管产生的。怎样画出某些特殊图象的信号波形呢？依据有两点：①摄象管经电子束扫描将一幅图象的亮度分布进行象素分解，使之转变成按逐行逐场时间顺序排列的电信号。②摄象管某时刻输出的电流信号正比于该时刻电子束所扫描象素的亮度大小。例如电视台每天播发的一幅八条从白到黑宽度相等的垂直条图象，如图1.4-1（a）所示，其特点是：只有水平方向变化，而无垂直方向变化，所以它是按行周期变化的。按照信号幅度正比于亮度

 

大小的原则画出一行的信号波形如图1.4-1（b）所示。由于图1.4-2（a）所示的只有垂直方向变化，而无水平方向变化，显然它是按场周期变化的。采用类似方法画出一场的信号波形如图1.4-2（b）所示。

由上两例可见，因为图象亮度只有正值而无负值，所以图象信号也是单极性的。黑色的信号电平对应为零，灰色和白色的信号电平都是正值而无负值。图象信号的极性在电路传送与处理过程中是经常变化的，如电路某处为正极性，经过一次放大倒相后，就变成负极性的了。为了方便起见，有如下规定：若图象越亮，信号电平越高，则称为正极性图象信号。反之若信号电平随着图象亮度的增加而降低，则称为负极性图象信号。上述两例所对应的负极性图象信号分别如图1.4－1（c）和图1.4-2（c）所示。

二、复合消隐脉冲

前面已经指出：为了消去行、场逆程扫描线（简称回扫线），必须由同步机产生行、场消隐脉冲。行消隐脉冲使摄象管与显象管的电子束在行逆程期间截止，消去行回扫线：场消隐脉冲在场逆程期间使电子束截止，消去场回扫线，从而避免它们对正常图象的干

 

扰。按时间顺序将行消隐脉冲序列和场消隐脉冲序列组合在一起称为复合消隐脉冲，如图1.4-3所示。我国广播电视规定：行消隐脉宽为12μs，场消隐脉宽为：25H＋12＝1,612μs。由于广播电视采用奇数行隔行扫描，相邻两场行消隐的相对位置差半行，所以复合消隐脉冲是按帧（两场）周期重复变化的。

三、黑白全电视信号的组成

黑白全电视信号由图象信号、复合同步信号和复合消隐信号组合而成。为了使三者互不干扰，并且在接收端能够方便可靠地进行分离，黑白全电视信号按下列方式组成：

1. 图象信号安排在行、场扫描的正程，复合消隐和复合同步信号安排在行、场扫描的逆程。

2.图象信号位于白色和黑色电平之间，复合消陷信号的电平规定比黑色电平稍黑。消隐电平和图象黑色电平之差称为黑色电平提升。黑色电平提升量D等于图象白色电平与消隐电平差值的0～5％，如图1.4-4所示。

 

3.复合同步电平比复合消隐电平具有更黑的电平，即“比黑还黑”。这样复合同步信号与图象信号、消隐信号在幅度上有较大的差别，便于在接收端用简单的限幅器（即同步分离级），从全电视信号中分离出复合同步信号。图象信号和复合消隐信号不必要再分开，可以直接送给显象管作为图象信号使用。

对于图1.4-1（a）所示的图象，图1.4-4画出它一行的全电视信号。从中可见，图象信号、行消隐信号、行同步信号三者在时间与幅度上的差别；黑色电平提升量D等于消隐电平与白色电平差值（70％）的0～5％。

 

图1.4-5（a）和（b）分别画出了实际的偶数场和奇数场在场逆程前后的全电视信号波形，图中标出了图象信号、复合消隐信号、复合同步信号、均衡脉冲、槽脉冲之间在时间与幅度上的关系。

行消隐信号有1.5μs的前肩，它是为了确保行同步前沿的准确性，使之不受行消隐前面因图象内容不同而对应信号电平也不相同所造成的行同步起始时刻不准确现象。若无消隐前肩，当消隐前沿的前面图象信号近乎黑电平时，在同步脉冲来到时刻从黑电平升到同步脉冲顶的建立时间较短，而当消隐前沿的前面为白电平时，在同步脉冲来到时刻从白电平升到同步脉冲顶的建立时间稍长一点，从而导致在不同图象内容情况下，行同步起始时刻存在时间误差。

行消隐信号有5.8μs的后肩，它是消隐电平的量测基准，反映了消隐电平的高低。在视频通道中当信号经过耦合电容失去直流后，若要恢复直流分量，通常是对消隐后肩的电平进行钳位而恢复直流分量的。彩色电视还要在消隐后肩上安放作为色度副载波基准的色同步信号。

综上所述，黑白全电视信号具有三大特征：周期性、单极性和脉冲性。由于电视采用周期性的扫描，所以电视信号具有明显的行、场周期性或准周期性。由于图象亮度只有正值而无负值；所以电视信号是单极性的，这与声音信号不同，声音信号是双极性的。电视信号的脉冲性表面为两点：其一，图象信号本身是一系列象素所产生的电脉冲信号组合而成的。其二，复合消隐和复合同步信号都是周期性的脉冲信号。

1.4.2 黑白全电视信号的频谱结构

由于电视采用扫描行来分解图象，并按场频或帧频重复，尽管图象内容是随机的，但是电视信号仍具有行、场或帧的准周期性。众所周知，周期性函数的频谱是离散的，非周期函数的频谱是连续的。电视信号（函数）也应该遵守这一规律。欲求出一般活动图象电视信号的频谱结构，应先对最简单的静止图象信号进行分析。

图1.4－6（a）所示图象只有水平方向变化，相应信号以行周期重复变化的，如图1.4-6（b）所示。将此信号用傅氏级数展开：

 

 

上式中，是行角频率；为复振幅，n为行频的谐波次数，它由电视信号的带宽Δf决定，n≤f/f_H。此信号的频谱是离散的，如图1.4-6（c）所示。

图1.4-7（a）所示图象只有垂直方向变化，其图象信号是按场周期变化的。如图1.4-7（b）所示并用傅氏级数展开：

上式中，是场角频率，为复振幅，m为场频的谐波次数，此信号的频谱也是离散的，如图1.4-7（c）所示。

图1.4-8（a）所示图象既有水平方向也有垂直方向的变化，对应信号波形如图1.4-8（b）所示。不难看出，它是前面两例中信号相乘的结果，即

 

上式中： 为复振幅。由上式可以看出，信号的频谱线分布在

 

等频率点上，如图1.4-8（c）所示。由此，我们取出极其重要的结论：上述电视信号的频谱是由行频的基、谐波为主频谱线和分布于它们两侧的以场频的基、谐波为副频谱线的离散频谱群组成的。

式（1.4-3）及其结论虽然是从最简单的静止图象分析得到的，但是可以推广到一般静止图象。因为任意一幅静止图象的信号u（t）均可以分解成有限个行周期函数u_H（t）和场周期函数u_V（t）乘积之和，而每个子积都具有式（1.4-3）所示的频谱结构，故一般静止图象信号仍具有上述频谱结构，如图1.4-9所示。通常，当图象内容在垂直方向变化缓慢的情况下，副谱线将很快衰减。例如，不超过几十对。这样，粗略地看，就构成以行频为间隔的一簇簇谱线群，每一谱线群的结构如图1.4-9（b）所示。

在隔行扫描情况下，重复周期应该是帧频。按理说，副谱线应以帧谱为间隔重复。但是，由于行间相关性，相邻行变化大体相同，所以一幅图象可以认为主要是按场频重复变化，但是奇、偶两场稍有差别。因此隔行扫描的频谱结构应为：副谱线仍然以场频为主重复，在场频谐波中间夹着幅度较小的帧频谐波，如图1.4-9（b）所示。

对于活动图象，频谱将成为连续的，但是只要动作速度较慢，每幅画面内容变化不大，则仍将具有上述频谱的大致特点。

 

从图1.4-9可见：①黑白电视图象信号（亮度信号）的能量评分分布在行频及其各次谐波频率为中心的较窄范围内，统计分析表明空隙约占46％，因而可以用来传送彩色信息，这就为在不扩展频带的情况下，实现彩色电视信号的传输提供了理论依据。②傅氏分析表明：谐波次数越高，幅度愈小，因此，亮度信号的能量主要集中在视频低端。为了减轻亮度信号和色度信号因共用频带而产生的相互干扰，通常将色度信号安排在视频高端传送。

 

§1.5 电视图象的基本参量

在最理想的情况下，显象管荧光屏上重现图象应该和原景物一样。就是说它的几何形状，相对大小、细节的清晰程度、亮度分布及物体运动的连续感等，都要与直接看景物一样。实际上要做到完全一样是不可能的。对于黑白电视来说，电视图象主要有以下几个参量。

1.5.1 图象的几何特性

根据人眼视觉特性，视觉最清楚的范围是在垂直视角约15°、水平视角约20°的矩形面积之内。根据这一特点，目前各国电视机屏幕都采用矩形，宽高比为4∶3；但有些显象管为了节约扫描功率，采用5∶4的宽高比。在高清晰度电视中，普遍认为幅型比取5∶3更为适宜。屏幕的大小常用对角线尺寸来衡量，并习惯于用英寸表示，如9英寸（23cm）、12英寸（31cm）、16英寸（40cm）、19英寸（47cm）等。

另外，电视屏幕上重现图象的形状、大小、相对位置应该与原来景物相似。几何形状的不一致叫图象畸变，畸变程度可用棋盘图形来测定。图1.5-1（a）的电视测试信号发生器发出的棋盘格图形，收端如果正确重现这个图形，则电视系统没有图象畸变。可是，由于行、场扫描锯齿波电流线性不良，如图1.5-1（d）、（e）所示，将会产生图象非线性畸变，如图1.5-1（b）和（c）所示。

对于这类图象的非线性畸变，可以分别用行、场非线性失真系数β_H和β_V表示，即：

实验表明：当非线性系数小于10％时，观众一般是不会感觉到有图象畸变的。另外，由于显象管或偏转系统不良等原因，还会产生另一种图象畸变，如图1.5-2所示。图（a）称为枕形畸变（失真），图（b）称为桶形失真，可用几何畸变系统D_g表示光栅几何畸变的程度，即：

 

； （1.5-2）

实验表明：Dg小于3％时，图象几何畸变尚不显著。通常，在接收机的扫描电路中设有校正电路，对上述两种畸变加以校正。

1.5.2 图象的亮度、对比度与灰度

一、电视图象的亮度

这里是指图象的平均亮度。根据人眼视觉特性，并不要求电视图象恢复原来景物的亮度，这就给确定电视图象的亮度较大的自由度；但是不同的环境亮度要求电视图象具有不同的平均亮度，以保证重显必需的对比度和亮度层次（灰度），使人们长时间观看时不致于过分疲劳。

根据实际要求，电视图象的平均亮度应不小于30尼特，最大亮度应大于60～150尼特。

二、电视图象的对比度与灰度

图象中最亮处的亮度（B_max）和最暗处亮度（B_min）之比称为对比度（C），即：C＝B_max/B_min。当计及环境亮度B_φ时的对比度。

 

因此，观看电视时外界的杂散光线照射到屏幕上，就会使屏幕暗处的亮度增加而造成对比度下降。

电视图象是由许多亮度不同的象素组成的，图象从亮到暗之间的亮度层次称为灰度。如果能分辨的亮度层次越多，图象就显得越细腻、柔和。一般来说，对比度C越大，图象黑白层次应当越丰富。另外，能分辨的黑白层次还受ζ值的限制。若已知图象对比度，根据人眼的对比度灵敏度阈ζ，可以用如下方法计算能分辨的亮度层次。

设图象最小亮度为B_min=B1，人眼所能分辨的第二级亮度为：

B2＝B1＋ζB1＝（1＋ζ）B1

第三级亮度为：

B3＝B2＋ζB2＝（1＋ζ）²B1

依此类推，所能分辨出的第n级亮度Bn为：

Bn=（1＋ζ）^n-1B1＝B_max

所以对比度

 

如果对等式两边取对数，经整理后，可得眼睛所能分辨的亮度层次为：

 

当ζ<<1时，上式简化为：

 

由上式可知，人眼所能分辨的亮度层次与图象对比度的对数成比例，与对比度灵敏度阈ζ成反比变化。

根据人眼视觉特性，对主观感觉来说，重现图象应与实际景物具有相同的对比度和灰度，这样，就能给人以真实感觉。

实际景物的对比度一般都不超过100。因为，在一定照度下，最后的募过于白石膏，其反向系数接近于1；最黑的募过于黑丝绒，其反射系数为0.01。因此为了不失真地传送图象，要求重现图象的对比度也为100。由于实际环境亮度的影响，所以重现图象的对比度往往达不到100，一般能达到30～40也就满意了。

当C＝40，ζ＝0.05时，得n=74；而C＝10时，n=46。在电视屏幕亮度高时，50Hz场频引起闪烁感，造成分辨力下降，因此实际ζ值比0.05还大些，结果使得电视图象的黑白层次有所降低。

1.5.3 图象清晰度与电视系统分解力

一、图象清晰度

它是指人主观感觉到的图象重现景物细节的可懂与逼真的程度。分别用人眼在水平方向或垂直方向所能分辨的象素数来定量描述，相对应的称为水平清晰度和垂直清晰度；并用“级数”或“行数”作单位。清晰度既与电视系统本身的分解力有关，也与观察者的视力状况有关。在评价图象清晰度时，应由一批视力正常的观众或专家来进行。

如果人眼最小分辨角（视敏角）为θ，在分辨力最高的垂直视线角15°内所能分辨的线数应为：

Z＝15°/θ

当θ分别为1′、1.5′、2′时，Z对应的为900线、600线、450线。由于人眼长期观看图象容易疲劳，一般取θ＝1.5′。所以，电视图象的垂直清晰度应为600线左右。

二、电视系统的分解力

它是指电视系统本身分解象素的能力，它不受人眼视力的影响。电视系统分解力的高低，可以通过专用仪器来测定。一般来说扫描行数越多，电子束聚焦适中，信道通频带越宽，电视系统的分解力越高。

1. 垂直分解力（M）

垂直分解力是指沿着图象垂直方向上能够分辨的象素数目。其一，它与分解图象有效行数（1－β）Z成正比；其二，它与扫描电子束和被扫描象素的相对位置有关，如图1.5-3所示。当电子束与被扫描象素位置最佳时，如图（a）的左列所示，分解力M＝

 

（1－β）Z为最高；当两者相互位置如图（a）的中列所示时，分解力最低。只有将垂直象素点减半，方可分解，故M＝（1－β）Z/2。根据大量图象的统计平均得到：

 

式中，k1=0.7是克尔（Kell）系数。按我国电视标准，Z＝625，β＝0.08，故M≈400线。这相当于视力只有0.5（即视敏角为2′）的人所能分辨的线数，故目前的电视图象是不够清晰的，要实现高清晰度电视，增加行数势在必行。

2.水平分解力（N）

电视系统沿着图象水平方向能分解的象素数目叫做水平分解力。水平方向的分解力由电视通道设备的通频带宽度和电子束横截面的大小决定。

图1.5-4是一幅黑白相间的竖条图象，对应电视信号是以行周期重复的一串矩形脉冲。显然，沿水平方向条弦数越多，一行内的电压变化次数越多，信号频谱也就越宽。由于传送通道的频带宽度总是有一定限制的，因而水平分解力也受到限制。

 

下面讨论电子束的横截面对水平分解力的影响。①在图1.5－4中，如果电子束截面无穷小，则相应信号波形是理想的矩形脉冲；若电子束直径与条纹宽度相当时，则相应信号将是具有一定直流成分的正弦波。②设所传送图象亮度如图1.5-5（a）所示，从左到右亮度从L1跃降到L2，由于发端电子束直径d不是无穷小，故摄象管输出信号不能从U1跃降到U2，产生一定宽度的过渡（如图b）；另外，设显象管的电子束直径与象素的相对尺寸与发端相同，则重现的亮度将延伸2倍象素的宽度，如图1.5-5（c）所示。使图象的边缘和细节展宽。③当图象细节的尺寸小于电子束直径时，不仅产生边界

 

的模糊，还导致形成的电视信号幅度减小，如图1.5-6所示。当细节小到一定程度时，电视信号的幅度变化甚至看不出来，使水平方向图象细节对比度降低。

综上所述，水平分解力受到收发端电子束直径大小的限制，这种现象称为孔辣阑效应。其中，摄象管的孔阑效应影响是主要的。为此，在发送端的通道中采用孔阑校正电路来加以补偿。研究表明：孔阑效应虽使图象信号的高频分量幅度下降，但是这些频率分量的相位并不改变，这一点对设计孔阑校正电路是重要的。

可见，要提高水平分解力，必须要求扫描电子束足够细；但如果太细了，在规定的扫描行数下，又不足以覆盖整个画面，使行与行之间有明显的空隙，从而降低了传输效率。因此，电子束直径的大小要适当，一般以等于一帧画面的高度除以扫描行数为宜。这样，当扫描行数选定后，电子束直径的大小和水平方向的分解力也就大致决定了。

实验表明，水平分解力与垂直分解力相当时图象质量为最佳。因此，考虑到光栅宽度为高度的k（幅型比）倍，所以，水平方向的分解力（也就是一行内所必须分解的黑白条纹数）为

（1.5-7）

视频通道的通频带则应当满足这一水平分解力的要求。

 

1.5.4 视频信号带宽、场频与扫描行数的确定

一、视频信号的频带宽度

图象信号又称视频信号。欲求其频带宽度，必须知其最高和最低频率。图象信号的最低频率几乎接近于零。图1.5-7（a）、（b）、（c）所示的图象对应的频率分别为：15625Hz、31250Hz和50Hz。任一景物（或图象）都有一定的背景亮度，反映在图象信号上是信号的直流分量，其频率接近于零。

图象细节越细，信号的频率越高。假设传送一幅全是细节的图象，其细节大小相当于一个象素，即等于一个扫描点的大小。由式（1.5-7）知，在行正程时间T_Ht内水平方向能分解N=kk1（1－β）Z个象素，所以沿水平方向扫过一个象素所需的时间为：

 

孔阑效应表明：扫描电子束直径与象素大小相当时，其图象信号近似为正弦波，故图象信号的最高频率为：

 

在逐行扫描情况下，fv＝fp，所以

 

在隔行扫描情况下，，因此

 

按我国电视标准：k=4/3，fv＝50Hz，Z＝625，α＝18％，β＝8％，k1＝0.7。若采用逐行扫描，则Δf＝f_max－f_min=f_max≈10.2MHz；若采用隔行扫描，则Δf≈5.1MHz。上述结果正符合通信系统中传送信息的时间和带宽成反比例的基本规律。对于每帧图象信息，逐行扫描所需要时间为：1/f_F=1/f_V=1/50=20ms，而隔行扫描所需要时间为：1/f_F=1/0.5f_V=1/25＝40ms。由于隔行扫描的传送时间增加一倍，所以传送信号带宽减少一倍。又因为隔行扫描的场频仍然是50Hz，故可以保证图象无闪烁感觉，因此世界各国的电视都毫无例外地采用隔行扫描。根据上述计算结果，我国视频传输通道的通频带规定为6MHz。

二、场频的确定

选择场扫描频率时，主要考虑光栅无闪烁、不受电源干扰，传送活动图象有连续感、图象信号占用带宽尽可能窄等因素。

从式（1.5-9）知，若要图象信号频带窄，场频应降低。若要求电视图象中人物的动作有连续感，即没有跳动的感觉，根据电影的经验，利用人眼的视觉惰性，如果每秒钟换帧在20次以上，就能很好地反映一般运动速度的活动景象，使人产生连续感。场频定为20～25Hz，可以满足活动景物的连续感。但是，此时存在着大面积的光栅闪烁，长时间观看，容易造成疲劳。为了避免光栅的闪烁，场频一定要大于监界闪烁频率，即fv≥48Hz。

为了避免电源的干扰，场频应与电源频率相同并且锁定。若场频与电源频率不相同，接收机电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图象会产生扭曲摆动和“滚道”现象（即图象上出现一条宽的横亮暗带上下滚动）。如果场频与电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。随着彩色电视的发展，远距离传输电视信号的发展和国际间交换电视节目的日益频繁，场频与电源同频锁相的关系已经无法保持了。现代接收机的生产工艺水平已能克服这些电源的干扰，因此场频与电力网频率相同的要求并非必要。但是目前各国的场频还是与本国的电源频率相同，所以我国电视的场频等于50Hz。

由于新式显象管的屏幕亮度不断提高，临界闪烁频率已经超过50Hz，所以场频选60Hz为宜。

三、扫描行数Z的确定

扫描行数的确定，主要考虑图象的清晰度与图象信号带宽两方面的因素。由式（1.5-6）和式（1.5-7）可知，当行数Z增加时，图象清晰度增加。由于图象信号带宽Δf与行数Z的平方成正比，行数增加会使带宽急剧增加，视频带宽的增加会使在一定波段中可安排的电视频道数目减少；同时，视频带宽的增加将导致电视设备的复杂化。

当屏幕的高度h与观看距离L等于1：4时，整个屏幕（幅型比为4：3）恰好落入垂直视线角为15°、水平视线角为20°的区域，此时人眼分辨力最高。前面已经指出，当人眼分辨角为1′、1.5′和2′时，电视图象垂直方向（对应视线角为15°）极限的清晰度应为900线、600线和450线。若取垂直清晰度为600线考虑，则扫描行数Z 应为

（线）

此时图象信号带宽按式（1.5-9）计算为Δf＝11.4MHz。即采用隔行扫描，信号带宽也接近12MHz。这样宽的频带对信道的利用很不经济，造成电视设备的复杂化。为了折中考虑，目前的广播电视一般取525行和625行，我国广播电视采用625行。

为了进一步提高电视的质量，使之达到35mm电影的水平，世界上发达的国家都在积极研究高清晰度电视，这种电视的扫描行数增加到1000行以上，视频信号带宽相应地在10MHz以上。

 

 

第二章 色度学与彩色电视

　

前面讨论的黑白电视只能传送与重现景物的亮度，这远不能满足人们的需要，彩色电视不仅能传送，重现景物的高密度信息，还能传送、重现景物垢色度信息。它大大地丰富了图象传送的内容，使景物更加形象逼真地重现出来。

彩色电视是在黑白电视与色度学的基础上发展起来的。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，它是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。

彩色电视就是根据色度学的原理，发送端将界物彩色分解成红、绿、蓝三种基本色光，然后采用与黑白电视类似的方法，将它们转换成三种基色信号，传送到接收端，最后在接收端又根据色度学原理重现出景物的彩色。

　

§2.1 光与颜色

2.1.1 光与光源

一、光的种类

光的种类繁多，下面仅从颜色，频率成分和发光方式等三方面将其分类。

1、按颜色可分为彩色光和非变化光。非彩色包适白（色）光、各种深浅不一样的灰（色）光和黑（色）光；彩色光又可细分为红光、绿光、黄光、........红紫光等。

2、按频率成分可分为单色光和复合光。单色光是指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光；非单色光即分复合光。

3、按频率和颜色综合考虑可分为谱色光（Spectrum Color）和非谱色光。谱色光主要是指波长从780nm到380nm，而颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光；把两个或者两个以上的单色光混合所得，但又不能作为谱色出现在光谱上的色光称为非谱色光。白光是非谱色光。

单色光一定是谱色光，非谱色光一定是复合光，而复合光也可能是谱色光。例如，红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色，它属于谱色光。

4、按发光方式可分为直射光，反射光和透射光。发光体（光源）直接发出的光称为直射光；物体对光源发出的光，能够进行反射所形成的光称为反射光；能进行透射所形成的光称为透射光。若设光源的功率波谱为P（l ），物体反射或透射特性分别为P（l ）和t （l ），则直射光、反射光和透射光的功率波谱将分别为P（l ），P（l ）P（l ）和P（l ）t （l ）。

二、光的颜色

无论是什么光，它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。

1、客观因素是它的功率波谱分布。对光源的颜色，直接取决于它的功率谱P（l ）P（l ）和P（l ）t （l ）。因此物体的颜色不仅取决于它的反射特性r （l ）和透射特性t （l ），而且还与照射光源的功率谱有密切关系，关于这一点将在2.1.2节中详细举例说明。因此，在色度学和彩色电视中，对标准光源的辐射功率波谱，必要作出明确而严格的规定。

2、主观因素是人眼有视觉特性。不同的人对于同一功率谱P（l ）的光的色感可能是不相同的。例如，对于用红砖建造的房子，视觉正常的人看是红色，而有红色盲的人看是土黄色；同样，他看绿草坪是黄色。由于周围环境的影响，红色盲患者会把他看到的“土黄色”房子叫做“红色”房子；同样，把他看到的“黄色”草坪，叫做绿色草坪，并认为他看到的“红色”与“绿色”和正常人一样。只通过一定检验方法才能发现色盲患者的视觉缺陷。由此可见，光给人的颜色感觉与人眼的视觉特性有关。

三、标准光源和色温

在色度学和电视技术中，常以白色作为一种标准，所以标准光源都是白光。常用的标准白光有五种，称为A、B、C65和E光源。它们辐射的光谱分布在图2.1－2（b）中用几条曲线表示。这种表示方法虽然精确，但是，对于使用感到非常不方便，于是人们想到了绝对黑体（下面简称黑体）。物理光学指出：在不同温度下，黑体辐射电磁波的本领是不同的，它的辐射本领按波长分布的规律如图2.1-2(a）所示。由图可见，黑体在不同温度下的辐射光谱作为标准，让各种光源的光谱分布与之比较。当光源的光谱与黑体某一温度下的光谱相一致时，则黑体的这一温度称为光源的色温；当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似，而不能精确等效时，则称这一温度为光源的相关色温。由于黑体这个温度与颜色有关，故名色温。读者注意，光源的色温与光源本身的温度是两回事，通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K，但其色温是2845K。

 

有了色温和相关色温的概念，表示光源的特性将非常方便。例如：

A光源：色温为2845K，相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。

B光源：相关色温为4800K，相当于中午直射的日光。

C光源：相关色温为6700K，相当于白天的自然光，它的蓝色成分较多。

D65光源：相关色温为6500K，相当于白天平均光照，近年来，常被用作彩色电视的标准光源。

E光源：又称为等能白光，即P（l ）＝常数，它是一种假想而实际并不存在的光源，采用它纯粹是为了简化色度学中的计算，其相关色温为550K。

另外，在彩色电视、电影摄影棚和演播室中常采用新式卤钨灯，其相关色温3200K，它是近代照明技术中常采用的光源。

显象管屏幕上显现的白光，有些色温高达9000～11000K，此时白色已经偏蓝了。

维恩（Wien）位移定律指出：当绝对黑体的温度增高时，最大的发射本领向短波方向移动（见图2.1-1）,所以色温较高的光源，其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中；而色温较低的光源，其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此，在上述几种标准白光中，色温较低者，偏红；色温较高时，偏蓝。

2.1.2 颜色及其视觉理论

一、颜色

颜色可分为非彩色与彩色两大类，颜色是非彩色与彩色的总称。非彩色指白色，黑色与各种深浅不同的灰色。白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择性，它们是中性色。彩色物体对光谱各波长反射具有选择性所以它们在白光照射下出现彩色。图2.1－3画出了几种颜色物体的光谱反射率特性。白色物体反射系数近1，黑色物接近于0，灰色物体介于0与1之间。彩色物体的反射率是随频率变化的，其数值介于0至1之间。

彩色是指白黑系列以外的各种颜色，颜色有三特性：亮度、色调和饱和度。

亮度（Luminance）是指色光的明暗程度，它与色光所含的能量有关。对于彩色光而言，彩色光的亮度正比于它的光通量（光功率）。对物体而言，物体各点的亮度正比于该点反射（或透射）色光的光通量大小。一般地说，照射光源功率越大，物体反射（或透射）的能力越强，则物体越亮；反之，越暗。

色调（Hue）:指颜色的类别，通常所说的红色，绿色，蓝色等，就是指色调。光源的色调由其光谱分布P（l ）决定；物体的色调由照射光源的光谱P（l ）和物体本身反射特性r （l ）或者透射特性t （l ）决定，即取决P（l ）r （l ）或P（l ）t （l ）。例如蓝布在日光照射下，只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光，黄光或绿光的照射下，它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下，只透射红光，所以是红色。

饱和度（Ssturation）：是指色调深浅的程度。各种单色光饱和度最高，单色光中掺入的白光愈多，饱和度愈低，白光占绝大部分时，饱和度接近于零，白光的饱和度等于零。物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度，物体对光谱某一较窄波段的反射率很高，而对其它波长的反射率很低或不反射，表明它有很高的光谱选择性，物体这一颜色的饱和度就高。

 

色调与饱和度合称为色度（Chromaticity），它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度，就能对颜色作完整的说明。

非彩色只有亮度的差别，而没有色调和饱和度这两种特性。

二、关于颜色视觉理论

现代颜色视觉理论主要有两大类：一是杨一赫姆霍尔兹的三色学说，二是赫林的“对立”颜色学说。前者从颜色混合的物理规律出发，后者从视学现象出发，两者都能解释大量现象，但是各有欠缺之处。例如：三色学说是最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象，但最大的因难是不能满意地解释色盲现象。对立学说对于色盲现象能够得到满意的解释，但是最大的困难是对三基色能产生所有颜色这一现象没有充分的说明，而这一物理现象正是近代色度学的基础，一直有效地指导着电视技术的发展，彩色电视技术的发展，彩色电视技术中是依靠三色学说作为理论基础的。

一个世纪以来，以上两种学说一直处于对立地位，似乎若要肯定一个，非要否定另一个不可。在一个时期，三色学说曾占上风，因为它有更大的实用意义。然而最近一、二十年的发展，人们对这两种学说有了新的认识，证明两者并不是不可调和的。现代彩色视觉理论产生一种“颜色视觉的阶段学说”，将这两个似乎是完全对立的古老的颜色学说统一在一起，有关这方面的知识，请阅读参参考文献[18],P.60。下面只介绍作为彩色电视理论基础之一的三色学说。

三、三色学说

这种学说认为人眼的锥状细胞是由红、绿、蓝三种感光细胞组成的，它们有着各自独立的相对视敏函数曲线，分别为Vr（l ）＝Vq（l ）和Vb（l ） （2.1－1）

如果某色光的功率频谱分布为P（l ），则三种色敏细胞感受到光通量分别为FR、D和F

 

　

大脑对该色光感觉到的亮度正比于它的总光通量F＝FR＋FG＋FB，大脑感觉该色光的色度（色调和饱和度）由FR、FG和FB分别相互比值来决定。所以，对于两种不同功率频谱分布的色光，只要它们的FR、FG和FB分别相同，对人眼来说，感觉到的亮度是完全相同的，它们的对人眼的彩色视觉是完全等效的。如果它们的FR、FG和FB虽然不同，但是FR、RG和FB的相同互比值相同，则它们对人眼来说，只是亮度感觉不同而色度感觉是完全相同的。

 

由此可见，人眼的颜色感觉虽然取决于色光谱布，但是并不能从看到的颜色来测断它们的光谱分布。也就是说，一定的光谱分布，对应着一种唯确定的颜色；但是同一颜色，可以由不同的光谱分布所组成，这种现象称为“同色异谱”现象。彩色电视正是利用这一现象进行颜色重现的。在颜色重现过程中，并非一定要求重现原景物辐射光的光谱成分，而重要的是应获得与原景物相同的彩色感觉。用什么方法才能实现这一目标呢？下面讨论的三基色原理与颜色混配规律为此问题的解决提供理论依据方法。

2.1.3 三基色原理与混色规律

一、混色规律

不同颜色混合在一起，能产生新的颜色，这种方法称为混色法。混色分为相加混色和相减混色。相加混色是各分色的光谱成分相加，彩色电视就是利用红、绿、蓝三基色相加产生各种不同的彩色。相减混色中存在光谱成分的相减，在彩色印刷、绘画和电影中就是利用相减混色。它们采用了颜色料，白光照射在颜色料上后，光谱的某些部分使被吸收，而其他部分被反向或透射，从而表现出某种颜色。混合颜料时，每增加一种颜料，都要从白光中减去更多的光谱成分，因此，颜料混合过程称为相减混色。

1853年格拉斯曼（H.Grasman）教授总结也下列相加混色定律：

1.补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。

2.中间律：两个非补色相混合，便产生中间色。其色调决定于两个颜色的相对数量，其饱和度决定于二者在颜色顺序上的远近。

3.代替律：相似色混合仍相似，不管它们的光谱成分是否相同。

4.亮度相加律：混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

利用如图2.1.-5所示的颜色环，可以比较直观地表达各种颜色的混合规律。按顺序把饱和度最高的谱色光和紫红色围成一个近似的圆环，每一颜色都在圆环上或环内占有一确定位置。白色位于圆心，颜色饱和度愈低，愈靠近圆心。颜色环圆心对边的任何两种颜色都是互补色，按适当比例混合是得到白色或灰色，例如，黄色与蓝色，红色与青色，绿色与品

 

红色。颜色环上任何两种非补色相混合，可产生中间色，它的位置在此两色的连线上。中间色的色调决定于两颜色的比例多少，并按重力中心定律偏向比重大的一色；中间色的饱和度决定于两色在颜色环的距离，二者距离愈近，饱和度越大，反之越小。互补色在色环上的距离被认为是最远。

还可以利用如图2.1-6所示的颜色三角形，简便地记忆相加混色和相减混色的规律。

相加混合

红＋青＝白 红＋绿＝黄

蓝＋黄＝白 绿＋蓝＝青

绿＋品红＝白 红＋蓝＝品红

红＋绿＋蓝＝白

相减混合

黄＝白－蓝 黄＋品红＝白－蓝－绿＝红

青＝白－红 黄＋青＝白－蓝－红＝绿

品红＝白－绿 品红＋青＝白－绿－红＝蓝

黄＋青＋品红＝白－蓝－红－绿＝黑色

二、三基色原理

三基色原理是指自然界常见的多数彩色都可以用三种相互独立的基色按不同比例成，所谓独立的三基色是指其中的任一色都不能由另外两色合成。三基色原理可用混色规律中的“中间律”证明：先让两种基色按不同比例合成出所有中间色，然后让第三基色与每一种中间色按不同比例再合成出所有中间色，这样三基色按不同比例就能合成出如图2.1-6所示的以三基色为顶点的三角形所包围的各种颜色。

在彩色电视中，经过适当地选择，确定以红、绿、蓝为三基色，就可以合成出自然界常见的多数彩色。三基色原理对彩色电视有着极其重要的意义，它传送具有成千上万、瞬息万变彩色的任务，简化为只需要传送三个基色图象信号。

三、相加混色的实现方法

为了实现相加混色，除了将三种不同的基色，同时投射到某一全反射面产生相加混色外，还可以利用人眼的某些视觉特性实现相加混色。

1. 时间混色法：将三种不同的基色以足够快的速度轮流投射到某一平面，因为人眼的视觉惰性，分辨不出三种基色，而只能看到它们的混合色。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。

2.空间混色法：将三种基色分别投射到同一表面上相邻的三点，只要这些点足够的近，由于人眼分辨力的有限性，不能分辨出这三种基色，而只能感觉到它们的混合色。空间事法是同时制彩色电视的基础。

3.生理混色法：当两只眼睛同时分别观看不同的颜色，也会产生混色效应。例如，两只眼睛分别戴上红、绿滤波眼镜，当两眼分别单独观看时，只能看到红光或绿光；当两眼同时观看时，正好是黄色，这就是生理混色法。

 

 

§2.2 颜色的计量系统

　

在2.1节中介绍了颜色的视觉理论，并从定性的角度介绍了颜色的混合规律。在实际工程中往往需要对颜色进行计量和对颜色的混合进行定量计算，CIE为此制定了一整套颜色测量和计算的方法，称为CIE标准色度学系统。其中，它包括好几种不同的计色系统。本节主要介绍物理RGB计色系统和XYZ计色系统。

2.2.1 RGB计色制与麦克斯韦三角形

一、配色试验

图2.2－1所示的比色计中有两块互成直角的白板（屏幕）将观察者的视场分为两部分，它们对所有可见光谱几乎全反射。将待配色光F投射到屏幕左边，三种基色光投射于屏幕右边，分别调节它们的强度，直到它们的混合光与待色光F的亮度完全一致为止。此时，整个视场将出现待配光的颜色。

 

二、三基色单位的选定

进行配色试验，必先选定三基色单位；根据不同三基色单位，可分为不同的计色制。在RGB计色制中，国际照明委员会（CIE）规定：把波长为700nm，光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位（或称单位量），用[G]表示；把波长为435.8nm，光通量为0.0601光瓦蓝光作为一个蓝基色单位，用[B]表示。比色计的读数将按基色单位[R]、[G]、[B]进行刻度，而不按辐射功率或者光通量刻度。

红、绿、蓝基色波长的选择，是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线作为观标准的。它们容易获得，色度稳定而准确，配出彩色也较多。光通量如此确定就是使。

1[R]+1[G]+1[B]=白 （2.2-1）

此时，白的光通量等于5.6508光瓦。

三、配色方程与色系数

选定三基色单位后，就可以进行配色试验。对于任意给定的彩色光F，如果三基色调节装置中的读数分别为R、G、B，就可以写出配色方程

F＝R[R]+G[G]+B[B] （2.2-2）

上式中等式的含义是“可由.......混合配出”，式中R、G、B称为三色系数，它们之间的比例关系决定了所配色光的色度，它们的大小决定了所配色光的光通量：

[F]＝（R＋4.5907G+0.0601B）光瓦

＝（R＋4。5907G+0。0601B）流明 （2.2-3）

在式（2.2－2）和式（2.2－3）中，F是代表具有亮度和色度的彩色光。[F]是代表彩色F的亮度，通常用光通量单位。由式（2.2－1）可推出

r[R]＋r[G]+r[B]= 白 （2.2-4）

因为在式（2.2－1）和式（2.2－4）中，两组三色系数的比例都是1：1：1，所以色度不变，都应配出等能白光E白，只是后者的光通量是前者的r倍。

如果用相互垂直的三个坐标轴分别表示三色系数R、G、B，则任意一个彩色F就能用三维空中的一个彩色矢量表征，如图2.2－2所示。

四、分布色系数与混色曲线

利用配色试验所得数据，常因人而异。因此，CIE推荐了一种国际通用的标准分布色系数数据，它是由很多正常视觉观测者的观测结果取平均所组成。所谓分布色系数是指辐射功率为1瓦（注意，不是1光瓦）波长为l 的单色光所需要的三基色的单位数，分别

用，和表示。若用表示辐射功率恒定为1瓦，但波长l 可改变的单色光，则

 

通过大量实验，CIE分别于1931年和1964年公布了两组分布色系数的标准数据。1931年的数据适用于1° ～4° 视场，1964年公布的数据适用于大于4° 的视场，表2－1列出了1931年CI公布的部分数据。根据表2－1绘制出分布色系数曲线（称为混色曲线），如图2.2－3所示。

从图2.2－3可见，每条曲线都有一段负值。其含义是：是可见光谱范围内，有些纯度很高的物理学三基色直接相加得到，必须将带负号的一个或二个基色搬到待配的半日单色光一边，才能使比色计两边的彩色完全相同。

若已知某彩色的辐射功率谱,求其三色系数时，可不必再进行配色实验，而直接根据CIE提供的分布色系数数据计算求出：

 

 

在上式中，若彩色光是等能白光，其功率常数，又所以

 

上式说明三条混色曲线下的面积是相等的。

五、相对色系数与RGB色度图

在许多情况下，只需要讨论景物与图象的色度，而不涉及其亮度。如前所述，色度只由三色系数R、G、B的比例决定，与它们的数值大小无关。为此，令三色系数之和为m

 

并令

显然上述式中，称为色膜，反映了色光的亮度；r、g、b称为相对色系数或色度坐标，它们的每一组数值都确定了一种颜色的色度。由于相对色系数r、g、b之和等于1。所以知道其中任意二个（例如r和g）就可以算出第三个（例如b=1－r－g）。因此，可以用r－g平面坐标作出包罗所有实际颜色的色度图，即RGB系统色度图。

图2.2－4是RGB色度图，首先确定三基色和标准白光E_白的色度坐标，它们的坐标值如表2－2所示。

 

根据谱色光的分布色系数、、,可按下式

（2.2-1）

求出各谱色光的色度坐标值，如表2－1所示。在色度图中，谱色光的轨迹是一条舌形曲线，称为谱色轨迹。

　

g

g

b

红基色

1

0

0

绿基色

0

1

0

蓝基色

0

0

1

等能E白

1/3

1/3

1/3

 

[R]、[B]之连线所示的色光是由红基色和蓝基色合成的，中点为品红色，而谱色光380nm和780nm两点坐标之连线所示色光是紫色与红色合成的，中点为紫红色，不过这两条直线几乎是一条直线，颜色也较相近。[R]、[B]连线上的颜色是非常谱色，它和舌形曲线组成一个封闭的马蹄形区域。自然界的一功颜色都在该区域内，称为实际颜色；在该区域外没有实际颜色，称为虚色。

彩色光的色度坐标越靠近谱色轨迹，其饱和度愈高；而愈靠近E_白，其饱和度愈低。

六、麦克斯韦计色三角形

麦克斯韦（J.C.Maxwall）首先用等边三角形简单而直观地表示颜色的色度，这个三角形称为Maxwell颜色三角形，如图2.2－5所示。它的三个顶点分别表示[R]、[G]、[B]，三角形内任一点都代表自然界的一种颜色，如果设每个顶点到对边的距离为1，则三角形内任一点P到三边距离之和等于1（这由几何知识不难证明）。如果令P点到红、绿、蓝三顶点对应的三边的距离分别为r、g、b，则r、g、b就是P点所代表彩色的色度坐标，表2－3列出了红、橙、黄、绿、青、蓝、品红、E_白的色度坐标值，由这些色度坐标值就可以确定它们在麦克斯韦颜色三角形中的位置，如图2.2－5所示。

 

七、彩色的合成

通过大量配色试验证明：合成彩色的三系数分别等于各混合彩色对应色系数之和。根据上述规律，可以不必进行配色试验，而通过“计算法”或“图解法”求出合成彩色。

1、计算法

已知：两个彩色光和的配色方程分别为

 

 

求：，相混后的合成光依上述彩色光的相加规律有

（2.2-12a）

或者

（2.2-12b）

除计算法外，还可以在r－g直角坐标式或麦克斯韦三角形中，用图解法求合成光的色度坐标；这种方法完全类似于力学中求两质点重心的位置。详述如下：

将（2.2－式2b）改写成

（2）

上式中

 

（2.2-14）

 

上式中所示列三个公式与力学求重心的公式相类似，因此，可采用求重心的方法，求解合成光的色度坐标。在图2.2－6所示的r－g直角坐标系或麦克斯韦颜色三角形，先找到和的坐标点，在和连线上反向地垂直引出两段长度为和的线段和，其中r可为任意常数，直线和相交于C点，C点是合成光的坐标。由此可见，和两色光按不同比例混合时，合成光总是在直线上。

如果三个色光、、相混合，可以先将和相混合得到然后再将和相混合，得到合成光。不论三个色光按什么比例得混合，混合色光必然处在D 之内。换句话说，利用三个基色只能混合得到以基色为顶点的三角形以内的各种颜色。彩色电视中，应使彩色显像管三基色组成的三角形面积尽可能的大，这样才能使重现的彩色更加丰富多彩。

2.2.2 XYZ计色制与CIE色度图

RGB计色制的基础是配色试验，它的物理意义明确，但使用不方便。因为，必须知道彩色光的三个色系数R、G、B，才能处出其亮度； 分布色系数中存在负值，用求和法近似计算色系数时，容易出错；自然界某些实色的相对色系数出现负值，它们的坐标不全在第一象限，作图不方便，为了克服上述缺点，1931年CIE在RGB计色制的基础上采用三个虚设的颜色作为计算三基色单位，分别用[X]、[Y]、[Z]表示，从而建立了XYZ计色制，并绘制了新的色度图－－CIE色度图。

XYZ计色制不能象RGB计色制那样，一切计算结果都可以通过配色试验来验证，它是在RGB制的基础上通过数学运算转换产生的一种计色制。在学习XYZ制时，要注意与RGB制进行对比，抓住它们的异同点以及相互转换关系。

一、基色单位的选定

设XYZ的三基色单位是[X]、[Y]、[Z]，则任一彩色的配色方程为

F＝X[X]＋Y[Y]＋Z[Z] （2.2-15）

式中，X、Y、Z称为三色系数，三基色单位的选定基于如下考虑：

1、要求自然界所有实色的三个色系数X、Y、Z为非负数，以利于色度计算与作图。

2、为了简化彩色的亮度计算，规定彩色的亮度直接由色系数Y决定，且1[Y]的光通量是1光瓦，而与另外两个色系数X、Z无关。彩色的色度仍由X、Y、Z的比值决定。

 

3、当X＝Y＝Z，仍代表等能白光E_白。

根据以上三点要求，就可以找出三基色单位[X]、[Y]、[Z]在r－g色度坐标中的位置，从而确定了[X]、[Y]、[Z]与[R]、[G]、[B]之间的相互转换关系。

按第一个要求，所有实色的X、Y、Z应为非负数，故以[X]、[Y]、[Z]为顶点的三角形，必须包围图2.2-7中的马蹄形区域，否则X、Y、Z将出现负数。在RGB色度图中，由于540nm到700nm谱色轨迹近似为一直线，将其延长作为颜色三角形的[X]、[Y]边。已知700nm和640nm的色度坐标分别为g ＝1，g＝0和g ＝0.9797，g＝0.0205可写出两点式直线方程是

整理得直线[X][Y]的方程为

g ＋0.99g－1＝0 （2.2-16）

由于510nm至380nm之间的谱色轨迹为一曲线，CIE规定取一条与光谱轨迹上503nm点相靠近的直线作为[Y][Z]边，这条直线的方程是

1.45g ＋0.55g＋1＝0 （2.2-17）

根据第二个要求，单位基色[X]和[Z]的光通量应为零，X[X]和Z[Z]的合成光的光通量也应为零，所以[X]、[Z]的连线是一条光通量等于零的直线，该直线的方程是

g ＋4.5907g＋0.0601b＝0

因为g ＋g＋b＝1，所以上式可变成：

0.9399g ＋4.5306g＋0.0601＝0 （2.2-18）

上式就是零光通量直线[X][Z]的方程。

对以上三个直线方程式（2.2-16）、式（2.2-17）和式（2.2-18）两两联立求解，可得到它们的交点[X]、[Y]、[Z]在g －g坐标系中的色度坐标值：

 

（2.2-19）

若令

（2.2-20）

根据第二条规定，1[Y]的光通量等于1光瓦，所以

（2.2-21）

将式（2.2-19）中[Y]的坐标值代入上式得 ＝0.0912

根据第三条规定，当X＝Y＝Z时，仍代表等能白光E白，所以1[X]＋1[Y]＋1[Z]也应代表1光瓦的E_白。由式（2.2-20）可得：

1[X]＋1[Y]＋1[Z]＝

 

（2.2-22）

由式（2.2-4）可知，只有[R]、[G]、[B]前面三个色系数相等时，才能代表E_白，所以可得下列两个独立的方程

（2.2-23）

将和式（2.2-19代入式，得）

（2.2-24）

把m值和式（2.2-19）代入式（2.2-20）得到由物理三基色单位[R]、[G]、[B]求计算三基色单位[X]、[Y]、[Z]的转换关系式：

（2.2-25）

若用矩阵形式表示，则

=[A] （2.2-26a）

[A]＝ （2.2-26b）

若逆矩阵运算可知

（2.2-27a）

（2.2-27B）

二、配色方程与色系数

XYZ制的配色方程已由式（2.2-15）给出，任一彩色可用

F＝X[X]＋Y[Y]＋Z[Z]

表示，X、Y、Z称为三色系数。对同一彩色，也可以用RGB制的配色方程

F＝R[R]＋G[G]＋B[B]

表示。对于同一彩色，以上两式右边应相等：

R[R]＋G[G]＋B[B]＝X[X]＋Y[Y]＋Z[Z]

将式（2.2-25）代入上式右边得

R[R]＋G[G]＋B[B]＝（0.4185X－0.1587Y－0.0828Z）[R]

＋（－0.0912X＋0.2524Y＋0.0157Z）[G]

＋（0.0009X－0.0025Y＋0.1786Z）[B]

上式两边对应系数应相等，所以

（2.2-28）

上式改用矩阵表示

（2.2-29）

（2.2-30b）

从式（2.2-26b）和式（2.2-29b）、式（2.2-27b）和式（2.2-30b）可以看出：矩阵[A]和、和都互为转置矩阵；而[A]与，和都互为逆矩阵。所以在上述四个矩阵中，知其一，可求其三。

三、分布色系数与混色曲线

与RGB计色制相似，XYZ计色制的分布色系数也是指配出辐射功率为1瓦的谱色光所需要的[X]，[Y]，[Z]的数量，并分别用，，表示。它们不能用配色试验得出，而是由经计算得到的。

由于式（2.2-29）和式（2.2-30）适用于求任意彩色的色系数，分布色系数是色系数中的一种特殊情况，因此

（2.2-31）

 

（2.2-32）

　

以上两式中和的数据见式（2.2-29b）和式（2.2-30b）。根据表2-1的数据，可求出，，的数据和曲线（混色曲线），分别如表2－4和图2.2-8所示。从中可以看出：，，均为非负数，满足制定XYZ计色数的第一条规定； 曲线和相对视敏函数V（l ）曲线一致，这说明彩色的亮度仅由色系数Y决定，这与制定XYZ计色制的第二条规定相一致。

与RGB制类似，若已知某彩色光的功率谱为P（l ），则其三个色系数

，

（2.2-33）

 

对于等能白光E_白，P（l ）＝常数，又X＝Y＝Z，故三条曲线下的面积相等。

四、相对色系数与CIE色度图

与RGB制相类似，彩色的色度也只取决于X、Y、Z的比值，故引入相对系数（或色度坐标）x、y、z和色模m'，它们分别为

（2.2-34）

显然，x＋y＋z＝1 （2.2-35）

此时，配色方程可写成

F＝X[X]＋Y[Y]＋Z[Z]＝ （2.2-36）

相对色系数与分布色系数的关系仍然是

（2.2-37）

上式中，利用上式可求出各谱色光的色度坐标值如表2-4所示。

 

与RGB计色制相类似，可将自然界所有颜色表示在xy直角坐标系中，这就是国际上通用的CIE色度图，如图2.2-9所示。它的用途极广，是色度学中有用的工具。对于任意功率谱的彩色，其色度坐标可用式（2.2-33）和式（2.2-34）求出；或者先求它们的RGB制的色系数R、G、B，然后再利用坐标变换成X、Y、Z或x、y、z。

五、彩色的合成

与RGB制相仿，可用计算法或图解法求解彩色合成的问题。

与RGB制不同，XYZ制常用F（x，y，Y）来表示某一彩色，其中x，y表示色度坐标，Y代表亮度。

1、计算法：若已知两个色光为和则合成彩色可用

表示，其中

（2.2-38）

上式中，。

2、图解法：合成光位于两个混合色光、的连线上，它到和两点的距离之比等于，具体作图求解方法与RGB制完全相同，此处不再赘述。

六、主色波长和色纯度

颜色的色度可直接用反映色调的主色波长与色纯度（即饱和度）来表示。

1、主色波长与补色波长

在图2.2-10中设位置是W点，对于任意彩色，射线W与谱色轨迹相交于点，点的谱色波长为，称为彩色的主色波长；的反延长线与谱色轨迹相交于点，点对应的谱色波长，称为彩色的补色波长。对于位于线段上的彩色，它的主色波长是，而补色波长为。由于D RWB（R点和B点分别指谱色轨迹上780nm和380nm两点）内和线段上的彩色均为非谱色，故彩色无主色波长，只有用它的补色波长（即彩色的主色波长），间接表示它的色调。

2、等色调波长线和等饱和度线

在线段上各点的色调都与波长为的色调相同，只是色纯度各异。越靠近谱色轨迹，色纯度越高；愈靠近白光W点，色纯度愈低；白光W的饱和度等于零。称为等调波长线（或主色波长线），同样，线段，，…都称为等色调波长线。任一彩色的色纯度

 

（2.2-39a ）

（2.2-39b）

上式中，和分别为白光W，彩色C和谱色P三点的色度坐标。当等色调波长线近乎平行x轴时，只能用式（2.2-39a），当它近乎平等y轴时，只能用式（2.2-39b）。在非上述情况下，两式均可任意选用。

由波长不同但色饱和度相同的各点连成的曲线称为等饱和度线。若彩色的主色（或补色）波长和饱和度已知，则其色度被确定。应注意：彩色的主色波长和饱和度，随基准白光的不同而各异。例如某点色度坐标为x＝0.2000，y＝0.650。若选E_白作基准白光，＝526.7nm，＝0.651；而选C白作基准白光时，＝529.1nm，＝0.671。某一颜色的色调和色饱和度跟它的色坐标之间的关系，类似解析几何中极坐标与直角坐标的关系。

七、色域图

各种颜色在色度图上的位置，可用图2.2-9所示的色域图表示，该图分成许多小区，每一小区代表一种颜色。

各种颜色的色度，无论是用色度坐标或用主色波长和色纯度来表示，均需两个参量，方能确定。但对于谱色轨迹上的谱色光，因其色饱和度最高都等于1，所以只需知其波长就能确定它的色度坐标。

2.2.3 均匀色标制

一、刚辨差（JND）与均匀色标制的提出

两种颜色的色度差是指在色度图上两者色度坐标之间的距离，即

（2.2-40）

　

 

由人眼分辨颜色变化的能力是有限的，故对色度差很小的两种颜色，人眼分辨不出它们的差异。只有当色度差增大到一定数值时，人眼才能觉察出它们的差异，人眼刚刚能觉察出颜色差别所对应的色度差称为刚辨差JND（Just Noticable Diference）。通过实验表明：在CIE色度图上，不同位置或者同一位置的不同方向，人眼的刚辨差是不相同的。1942年麦克亚当（Macadam）对25种色光进行实验，在每个色光点大约沿5到9个对侧方向上测量刚辨差。结果得到的是一些面积大小各异、长短轴不等的椭圆，称为麦克亚当椭圆，如图2.2-11中，不同位置的麦克亚当椭圆面积相差很大，靠近520nm处的椭圆面积大约是400nm处随圆面积的20倍。这表明人眼对蓝色区域颜色变化相当敏感，而对饱和度较高的黄、绿、青部分的颜色变化不太敏感。对于面积大小相同的区间，在蓝色部分比绿色部分，人眼能分辨出更多的颜色。在XYZ计色坐标系中，刚辨差的不均匀性给颜色的计量与复现工作造成麻烦。人们曾经作过试探，将CIE－XYZ色坐标系经过一定的线性变换（或投影变换），企图使整个色域内各点的刚辨差相等，麦克亚当椭圆都变成半径相等的圆。试探结果表明，上述设想是无法实现的。但是经过某种投影变换，能使各点的刚辨差的均匀性比XYZ计色坐标系要好得多，这就是均匀色标系统（制）。

二、均匀色标制

均匀色标系统又称为UCS（Uniform Chromaticity Scale）制，1960年它被CIE正式承认采用。在UCS制中，规定均匀色度坐标的横坐标为u，纵坐标为v，而u和v都是从x和y值的线性变换得来的，其相互关系是：

（2.2-41a）

（2.2-41b）

根据式（2.2-41a）将CIE色度图变成用m －坐标表示的色度图，如图2.2-12所示。因为是线性关系，所以CIE色度图中的直线变换到m －坐标中仍是直线。由图可见，原来25种色光的麦克亚当椭圆向圆的方向靠近，各圆的大小差别也变小了。从而使得人眼在视觉上差别相等的颜色，在m －坐标上大致是等距的，这有利于人们根据不同颜色的色度差来判断两者颜色的差别，对颜色计量与重现工作带来方便，特别是，用来作为制定产品颜色公差的依据。通常规定刚辨差的量值单位为JND，在UCS制中，1JND＝0.00384UCS坐标线段值。设两色坐标的设计值、。实际测量值为、。则设计误差为

 

 

 

§2.3 电视中彩色的分解与重现

 

2.3.1 彩色电视系统的组成原理

根据色度学的知识，无论是直射、反射、透射的彩色光，其颜色都取决于它的功率波谱P（λ），而可见光的波长范围是在380nm至780nm之间。假如彩色电视能在接收端恢复发送端原景物各点辐射光的光谱分布 P（λ），那么重现图象一定与原景物的颜色一致。为此，必须将可见光的波长范围划分为几百个波长区间，以每个波长区间的辐射强度都要用一个信道传送到接收端，然后在接收端将几百条信道传送来的信号合成，从而恢复出原景物辐射光的光谱分布P（λ）。很显然，靠现有技术水平，按此法实现彩色电视是行不通的。

那么实现彩色电视的正确途径是什么呢？根据人眼彩色的视觉特性，在彩色重现过程中，在接收端可以不需要恢复原景物辐射光的光谱分布 ，只需恢复原景物相同的颜色感觉。三基色原理指出，几乎自然界大多数的彩色都能由三种相互独立的基色相混而成。另一方面，人们利用分色镜能将任一彩色分解成三种基色光，人们利用彩色光既能分解又能混合的原理，加上早已成熟的黑白电视技术，成功地创建了彩色电视。其系统组成如图2.3-1所示。

 

在发送端用彩色摄象机来产生彩色电视信号，首先景物各点辐射的彩色光F₀（图中F即F₀）经过镜头和分色镜分解成红、绿、蓝三种基色光R₀、G₀和B₀，这三种基色光分别投射到三支摄象管的靶面上，每支摄象管的作用与黑白摄象管一样，从而产生三个对应的基色信号E R₀、E G₀和E G₀，这三个信号分别经过各自的信道同时传送到接收端。

在接收端是用显象管或者投影管来重现彩色图象的。接收端将收到的E R₀、E G₀和E G₀分别去调制（或控制）显象管或投影管的三条电子束，产生红、绿、蓝三种基色光Rd、Gd和Bd，它们会聚于一点合成重现彩色光Fd，如果整个电视系统设计得当，保证得到下列关系：

 

于是，图象重现彩色Fd与原景物彩色F0的色度完全一致，它们给人眼的彩色感觉将完全相同，尽管Fd和F0的光谱分布大不一样。

与黑白电视类似，在收发两端采用同步扫描的方式，就能得到整幅活动的彩色电视图象。此时，同步扫描要求更严格一些，它根源一支摄象管的显象管（或投影管）的三条电子束都要保证同上扫描。

在实际的彩色电视系统中，摄象机产生的三基色信号E R₀、E G₀和E G₀并非用三个信道独立地传送到接收端，而是将三路信号编码成一路信号，用一个信道传送到接收端。

2.3.2

彩色图象的分解

 

利用分色镜系统可将彩色图象分解成三种基色图象。分色系统是由双向分色镜（Di-chroic Mirror）D1、D2和反向镜E1、E2组成，如图2.3-1所示。双向分色镜表面附有透明的多层重迭的非金属材料薄膜，因光的干涉作用，它具有选色特性。适当地选择薄膜的厚度和折射率，可使一部分光反向，其余的光则全部透过，D1和D2的透过率如图2.3-2所示。由图可见，D1和D2分别只反射红光和蓝光，而其他光则全部透过。

在图2.3-1中，当景物的彩色光F0经镜头到达D1后，D1反射红光而其他全部透过。被反射的红光，经E1全反射以到达红光的摄象管。D1的透射光到达D2，D2反射蓝光而其余光全部透过。被反射的蓝光经E2到达蓝光的摄象管。D2虽然能够透过红光和绿光，但是由于D1和D2的联合作用，只有绿光才能达到绿光的摄象管靶面。

由此可见，分色镜可将景物的彩色光分解成红、绿、蓝三种光，分别在三支摄象管靶面上成象，从而产生三种基色光的电信号。

2.3.3

彩色图象的重现

 

在电视中重现彩色图象的方法常见的有两种：一是利用彩色投影电视的方法；二是利用彩色显象管荧光屏直接重现。

彩色投影电视是利用简单同时混色法得到彩色图象的。它利用三只投影式显象管分别将E R₀、E G₀和E G₀转换成红、绿、蓝三种基色光Rd、Gd、Bd，通过放映镜头，将三色光同时投射到银幕上，这样就混合成了原彩色图象，如图2.3-3所示。

彩色显角管是利用空间混色法获得彩色图象的。常见的管子有三种：荫罩管、单枪三束管、自会聚管，目前自会聚管的用量占绝对压倒多数。并且，它们都是利用三种荧光粉发也红、绿、蓝三基色光而获得彩色图象的。现以最早使用的荫罩管（见图2.3-4）为例，它主要由电子枪和荧光屏组成。它有三个电子枪，成品字形，略向中心倾科1°。荧光屏布满了大约50万组三色荧光粉点，每一组由红、绿、蓝三个荧光点组成，它们分别位于等边三角形的三个顶点。荧光屏后有一金属荫罩板，上面布满小孔，每个孔都对应着一组三色点，荧光屏与荫罩板的结构，如图2.3-5所示。三个电子枪分别受到红、绿、蓝三个基色信号激励后，发出电流密度随图象内容变化的三条电子束，它们会聚于荫罩板的小孔内，穿过小孔，并分别轰击对尖的红、蓝、蓝荧光点，产生重现色光Rd、Gd和Rd。由于三个点

 

距离很近，人眼的分辨力有限，人眼感受到的是Rd、Gd和Bd的合成光Fd产生的彩色感觉，只要Rd、Gd和Bd满足式（2.3-1）的关系，重现图象交和原景物的彩色感觉相一致，即实现了彩色图象的正确重现。

 

 

§2.4 电视RGB计色制与彩色正确重现

2.4.1 电视RGB计色制

前面介绍了物理RGB计色制和XYZ计色制，利用它们已经可以解决色度学的各种计算。但在彩色电视中，由于显象管三种荧光粉发出的红、绿、蓝三原色*并非是物理RGB计色制中的三基色，所以使用上述两种计色制进行彩色电视的颜色计算时，会感到复杂。为此，提出电视RGB计色制，它的关键是直接利用彩色显象管荧光粉发出的三原色作为三基色单位，从而使彩色电视的颜色计算大为简化。

一、电视三基色的选定

电视RGB计色制的三基色就是显象管三种荧光粉发出的三原色，它们的选取基于下面的考虑：

1、在CIE色度图中，由于自然界所有实色的集合是一舌形面积，任意三基色所组成的三角形是不可能重现所有颜色的。除非选四个以上基色，用多边形去逼近舌形区域，但这会增加技术上的复杂性，是一种理论上可行、而实际上不可行的方案。所以，只能选取三基色，使基组成三角形面积最大。由于舌形区域与三角形大体相近，且红、绿、蓝三谱色位于它的三个顶端，故选取红、绿、蓝三谱色作为三基色时，所围三角形面积最大。

2、在确定显象管三原色坐标时，还必须考虑荧光粉的发光效率，一般来说，颜色饱和度越高，荧光粉发光效率越低。发光效率将会影响图象的亮度和对比度。因此，必须兼顾重视颜色的饱和度和亮度。

3、在实际生活中，鲜艳的红、橙、黄、绿是常见的并引起美感的颜色，而饱和的蓝、绿一带的颜色则不常见。所以D RGB的RG边应尽量靠近光谱轨迹，而BG边可以离光谱轨远一些。

4、700nm的红光，435.8nm的蓝光相对视敏函数值很小，这说明要获得足够亮度的红、蓝谱色光，所需要的能量相当大。

 

 

根据2～4三条原因，显象三基色不能选取红、绿、蓝三种谱色，而应在非谱色区，适当选取三点。在图2.4-1中标出了NTSC制和PAL制显三基色以及物理R、G、B三基色的坐标位置，它们的具体坐标值，如表2-5所示。

上述做法，虽然牺牲了一些重现的色域，却换来了较高的彩色亮度。而重现高亮度比重现高饱和度的彩色更为重要，这样做是合算的。另外，所选显象三基色能重现的颜色对彩色而言已经相当丰富的了。为了便于理解这一点，在图2.4-1中，给出彩色胶片，印刷品、绘画、染料等能够重现的色域，用W 区表示。它还不及显象三基色三角形的面积大，而且显象三基色还能重现更多的引起美感的红、橙、黄、绿高饱和度的颜色，所以显象三基色能重现的色域对人眼来说，是已经相当满意的了。

二、显象三基色单位、、的确定

为了建立电视RGB计色制，必须确定显象三基色单位、和。上面已经确定了它们的色度坐标，但还得求出它们各自的色模，才能使显象三基色单位、和确定下来。为此，NTSC制作出规定；显象三基色各为1单位时，能相混出1光瓦和C_白，即

1＋1[＋1＝（1光瓦） （2.4-1）

显象三基色单位是、、，若用XYZ制表示，则

（2.4-2）

所以

（1光瓦） （2.4-3）

在XYZ计色制中，若已知1光瓦C白的色度坐标的值（见表2-5），则可以求出它的三色系数。令

（2.4-4）

 

将C白的色坐标

代入式（2.4-4）得

0.9810[X]＋1[Y]＋1.1835[Z]＝ （2.4-5）

令式（2.4-3）和式（2.4-5）对应相等，并将、、的色坐标（见表2-5）代入式（2.4-3），可以求得

＝0.9060，＝0.8286，＝1.4320

所以，式（2.4-2）可用下列矩阵表示

（2.4-6a）

（2.4-6b）

由逆矩阵运算可得

（2.4-7a）

（2.4-7b）

三、不同计色制的转换与亮度方程

在电视RGB计色制中，可以用显象管三基色以任意比例配出某彩色光。其配色方程为

＝＋[＋ （2.4-8）

对于同一彩色光，也可用XYZ计色制的配色方程表示

＝X[X]＋Y[Y]＋Z[Z] （2.4-9）

类似物理RGB制和XYZ制的转换关系，可以求出电视RGB制和XYZ制三色系数的转换关系。

（2.4-10a）

（2.4-10b）

（2.4-11a）

（2.4-11b）

在式（2.4-6）、式（2.4-7）、式（2.4-10）和式（2.4-11）中、[B]、和互为逆矩阵，而和[B]、和互为转置矩阵。这四个矩阵知其一，可求其三。以上转换关系与式（2.2-26）、式（2.2-27）、式（2.2-29）、式（2.2-30）描述的物理RGB制和XYZ制的转换关系完全相似。

综上所述，所有不同计色制都可以相互转换，但是一般都与XYZ制进行转换，以便统一分析比较。假设有任一计色制，例如RGB计色制，它需要同XYZ制进行转换，两者必存在下列关系：

＝ （2.4-12a）

＝[A] （2.4-12b）

＝ （2.4-12c）

（2.4-12d）

式中，[A]、、、四个矩阵中存在互逆和互为转置矩阵的关系，若知其一，可求其在一，由于分布色系数是三色系数的特例，所以式（2.4-12c、d）对分布色系数也成立，即

＝ （2.4-13a）

＝ （2.4-13b）

从式（2.4-11）中，可以异出非常有实用价值的亮度方程。

Y＝0.299＋0.587＋0.114 （2.4-14）

上述亮度方程表明了电视RGB制中，任一彩色光的在一色系数与其亮度之间的关系。利用这个方程，可进行亮度计算和基色信号的变换，这一点将在第三章中讲授。这个公式是在NTSC制中规定1[R]＋1[G]＋1[B]＝的条件下导出来的。

四、适用于PAL制的电视RGB计色制

前面所讲的不同制式的转换关系在色度学中是普遍适用的。当显象三基色和基准白的色度坐标确定后，再附加

1＋1[＋1＝（1光瓦）

的条件，式（2.4-12）中矩阵的系数就可求出来，即可确定电视RGB制和XYZ制的相互转换关系。

前面是采用NTSC制显象三基色和C_白色度坐标来建立电视RGB计色制的，因此它的具体数据适用于NTSC制彩色电视的色度计算。对于PAL制，应当选用PAL制显象三基色和白光色度坐标，并假定显象三基色各有一个单位能配成1光瓦白光，即

1＋1[＋1＝（1光瓦） （2.4-15）

由此可导出适当于PAL制的电视RGB计色制与XYZ制的相互转换关系：

（2.4-16a）

（2.4-16b）

（2.4-17a）

（2.4-17b）

由式（2.4-17）可得到适用于PAL制的亮度方程

Y＝0.222＋0.707＋0.071 （2.4-18）

它的物理意义及作用与NTSC制的亮度方程（见式2.4-14）完全相同，但是它的导出条件（见式2.4-15）与NTSC制亮度方程的导出条件是不相同的。

由于NTSC制彩色电视系统比PAL制早十几年，所以PAL制并没有采用（2.4-18）的理论亮度方程，仍然习惯地沿用NTSC制的亮度方程。这样做，虽然有一定的误差，但是主要特性仍能满足视觉对亮度的要求，所以，人们就一直沿用下来了。

2.4.2 彩色的正确重现

彩色电视的实现基于彩色的分解与合成，2.4.1节又介绍了电视RGB计色制。有了这两方面的知识，就可以讨论彩色电视系统究竟需要满足什么条件，才能实现彩色的正确重现（即重现图象的颜色与原景物的颜色一致）。

 

彩色显象管是采用空间混色，它重现的彩色光可用显象三基色表示：

＝＋[＋ （2.4-19）

现有任一景物的彩色光为，它的功率谱为P（l ），若要显象管重现的彩色和景物色光完全相同，则在电视RGB制中的三色系数应满足：

（2.4-20）

上式中，、、为电视RGB计色制中的分布色系数，即配出一瓦任意谱色光所需要的显象三基色的数值。它们可由XYZ制的分布色系数求出。NTSC制和PAL制分别按式（2.4-10）和式（2.4-16）计算，从而得到两种制式的混色曲线分别如图2.4-3（a）和（b）所示。

为了使问题简化，假设显象管三条电子束的束流正比于三个控制电压（即视频图象信号），而荧光粉辐射光的强弱也正比于束流的大小，因此，要使重现色光，则显象管的三个控制电压应分别为、、。进一步假设传输通道也是线性的，并且放大倍数等于1。所以三支摄象管的输出电压、和应满足关系

 （2.4-21）

时，才能实现彩色的正确重现。

 

从摄象机看，假如红、绿、蓝三支摄象管的光谱响应特性分别为、和，则三支摄象管对功率谱的P（l ）的景物而言，它们的输出电压分别为

（2.4-22）

在式（2.4-20）和式（2.4-22）中，若要使彩色正确重现，对于任意功率谱P（l ），都要求满足，，的条件，故必须要求

＝，＝，＝ （2.4-23）

上式说明，在线性电视系统中，只有当摄象管的光谱响应曲线与显象管的混色曲线相匹配时，才能实现彩色的正确重现。

实际的电视系统是非线性的，一般摄象管g＝1，显象管g ＝2.2~ 2.8，在摄象管后增加g 校正电路来补偿显象管的g 失真，在这种情况下，上述结论也是成立的。

若用PAL制摄象机摄象，而用NTSC制的显象管显象，则重现图象的彩色必然存在着误差，此时，必须采用校色矩阵电路来消除彩色失真。

在图2.4-3中，显象管的混色曲线存在着负值，若要实现彩色的正确重现，则摄象机的光谱响应曲线也应存在负值；然而，从镜头直到摄象管总的光谱响应曲线只有正值，不可能出现负值。为此，必须采用各种方法对摄象机的光谱响应曲线进行校正，使其显象管的混色曲线相匹配，这种处理称为彩色校正。

 

第三章 彩色电视制式

§3.1 概述

电视可用不同的方式来实现。实现电视的一种特定方式，称为电视的一种制式。在黑白电视和彩色电视发展过程中，分别出现过许多种不同的制式。

黑白电视制式通常是按其扫描参数、视频信号带宽以及射频特性的不同而分类的。目前世界上的黑白电视制式大致分为13种，如表3－1所示。我国黑白电视属于D/K制。

对于彩色电视而言，除了上述有关特性以外，还根据在收、发两端对图象三基色信号不同的处理方式分成许多种彩色电视制式。

1.按使用目的不同，彩色电视分兼容制和非兼容制两大类。所谓“兼容”是指“彩色电视和黑白电视可以相互收看”。即彩色电视节目可以为黑白电视机接收，而显示为黑白图象；黑白电视节目也可以为彩色电视机接收，而显示为黑白图象。通常将前者称为兼容性，后者称为逆兼容性。目前世界上的广播彩色电视都采用兼容制，而非兼容制彩色电视主要用于应用电视。

 

2.按信息传输的方式和显示的时间不同，彩色电视可以分为：(1)同时制（Simultaneous Color Television）；(2)顺序制（Sequential Color Television）；(3)顺序－同时制。在顺序制中，摄象机行到的红、绿、蓝三基色图象信号按一定顺序传送到显象管，利用人眼的视觉暂留特性将三基色图象混合成彩色图象，如图3.1－1(a)所示。顺序制又分为场顺序制、行顺序制和点顺序制，它们分别是逐场、逐行、逐点地顺序传送三基色信号。顺序制的优点是设备简单，彩色图象质量较好，但是兼容性很差或者不能兼容。为了克服顺序制的缺点而出现了同时制，它将R、G、B三基色编码成亮度信号和色度信号来同时传送，经过解码得出三基色信号R、G、B，然后由显象管合成彩色图象，如图3.1-1(b)所示。同时制的优点是可以兼容，图象质量较好，但是设备复杂，亮度与色度信号往往存在相互干扰。顺序－同时制是上述两种制式的组合。例如，可将一个基色信号经常传送，而将另两个基色信号依次顺序传送，然后在显象管中合成彩色图象，如图3.1-1(c)所示。其优缺点与同时制相同，在显象时，三种制式都利用了空间混色原理，顺序制还利用了时间混色原理。显然，具有兼容性的彩色广播电视只能采用同时制或顺序－同时制，而顺序制一般用于彩色应用电视中。

目前世界上彩色广播电视制式最主要的有三种：(1)NTSC制，1953年由美国创立，日本、加拿大等国相继采用；(2)PAL制，1967年由西德创立，我国、英国、意大利、荷兰等西欧国家以及北欧各国也都采用它；(3)SECAM制，1967年由法国创立，苏联和东欧各国也都采用它。这三种制式皆属兼容制，其共同点都采用能与黑白电视兼容的亮度信号和两个色差信号作为传输信号；其不同点是两个色差信号对副载波采用不同的调制方式。NTSC制和PAL制都属于同时制，SECAM制都属于顺序同时制。

§3.2 兼容制彩色电视基础

彩色电视为了与黑白电视兼容，它必须具备下列条件：（1）彩色信号中必须有亮度信号和色度信号；（2）占有与黑白电视相同的频带宽度；（3）伴音载频和图象载频分别与黑白电视相同；（4）采用相同的扫描频率和相同的复合同步信号；（5）亮度信号与色度信号之间的干扰要最小。其中，实现兼容最根本的条件是彩色电视必须以和黑白电视相同的带宽传送亮度信号和色度信号。根据公式（1.5－9），当fv=50Hz,Z=625行时，黑白电视图像信号（即亮度信号）约占6MHz带宽。因此必须在6MHz的带宽内同时传送亮度信号和色度信号，否则就无法实现兼容。人们通过对人眼视觉特性的，充分地应用色度学原理与电子电路技术的成就，采用恒亮传输方式和彩色电视信号的频带压缩措施，解决了在6MHz带宽内同时传送亮度信号和色度信号的，问题成功地实现了彩色电视与黑白电视的兼容。

3.2.1

实现兼容的基本措施

一、恒亮传输方式

彩色电视为了与黑白电视兼容，必须传送一个亮度信号，以便黑白电视机接收。根据彩色具有亮度、色调和饱和亮度三个要素的理论，传送彩色图象必须选用三个独立的信号。除了亮度信号外，还必须选择另两个信号来代表彩色的色度信息。这两个信号与色调和饱和度之间应存在确定的相互变换关系。例如用x、y坐标值。但是，彩色电视中常用两个色差信号B－Y和R－Y来代表色度信息，它们与彩色摄象机输出的R、G、B三基色信号存在下列关系。

 

目前的彩色电视是将两个色差信号进一步变换成色度信号，并且迭加在亮度信号上一起传送出去。黑白电视机收到这种彩色电视信号后，由于色度对正常黑白图象的干扰和影响很小，故黑白电视机显象管上只产生与亮度信号成比例的正常的黑白图像。彩色电视机收到这种彩色电视信号后，先变换成上述三种信号，即Y、（B－Y）和（R－Y）；再经解码矩阵按公式

 

还原成R、G、B三基色信号。在式（3.2-3）中，

 

还原出的R、G、B信号加到彩色显象管三个阴极（或者栅极）上，使荧光屏上重现出正确的彩色图像。采用亮度信号和两个色差信号作彩色电视传输信号的方式，称为恒亮传输方式。它有利于恒定亮度原理的实现（见3.2.2节），这是一个关键性的突破；它有利于彩色电视和黑白电视的兼容，这是彩色电视研究成功的重要技术之一。

二、彩色电视信号的频带压缩

用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼容是有利的；但是亮度信号和两个色差信号带宽之和仍是黑白电视信号带宽的3倍。为了兼容，必须对由它们组成的彩色电视信号的频带进行压缩。利用高频混合原理与频谱交错原理，成功地将彩色电视信号的带宽压缩到与黑白电视信号的带宽相同。

1.高频混合原理

人们都有这样的生活经验，在黑白照片上，用笔粗略地涂上不同的颜色，就成了彩色照片。画一幅水彩画时，总是先用墨笔描绘出清晰的轮廓，然后用彩笔进行大面积涂色，整个画面就会给人们以细节清晰、彩色鲜艳、生活逼真的印象。大量的事例说明，人眼对彩色细节的分辨力远低于对黑白细节的分辨力。经测定人眼对亮度细节的分辨力极限值为1′～1.5′，对彩色细节的分辨力极限值为6′～10′。也就是说，人眼较容易辨别出彩色图像细节部分的明暗程度，而不容易辨出细节的颜色差别。

通过实验还发现，人眼对不同色调的细节分辨力也不同。例如，在同样亮度下，人们对绿色细节的分辨力较强，而对红、蓝色细节的分辨力较弱。如果人眼对黑白细节的分辨力定为100％，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨能力如表3－2所示。从表中数据可知，人眼对彩色细节的分辨力是很差的。

 

细节色别

黑 白

黑 绿

黑 红

绿 红

黑 蓝

红 蓝

绿 蓝

分 辨 力

100％

94％

90％

40％

26％

23％

19％

 

综上所述可得出一个重要结论：色度信号只需要在图象的大面积部分进行传送，在图象的细节部分只需传送亮度信号，不必传送色度信号，这就是大面积着色原理。根据这一原理，可用全部视频带宽（例如0～6MHz），传送亮度信号Y，以保证清晰度；可用较窄的频带（例如0～1.3MHz）传送两个色差信号（R－Y），以进行大面积着色。这样在接收端所恢复的三个基色信号是：

 

 

由上式可知，接收端所恢复的三基色信号只含有较低的频率分量（0～1.3MHz），而它们的高频部分（1.3～6MHz），则用同一亮度信号的高频部分来补充。这就是高频混合原理。它是1950年首先由美国A.Bedford提出的。利用这一原理，既节省了频带，又减轻了亮度信号和色度信号共用频带而产生的相互干扰。

2. 频谱交错原理

采用恒亮传输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8.6MHz〔Y为6MHz，（B－Y）和（R－Y）各为1.3MHz〕，它还是大于黑白电视信号的带宽。为了兼宽，还需要进行频带压缩。

根据黑白电视原理，黑白电视的亮度信号虽然占据了6MHz的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围内，在

 

附近并没有亮

 

度信息，能量分布如图（1.4-9）所示。

由于彩色摄象管的扫描参量（f_V、f_H、z、隔行扫描）与黑白电视一样，所以，R、G、B信号的频谱结构和带宽与黑白电视的亮度信号完全相同。而彩色电视的亮度信号Y和色差信号（R－Y）、（G－Y）、（B－Y）都是R、G、B的线性组合，因此，它们和黑白电视的亮度信号频谱结构也完全一样。在图3.2-1中，图（a）是亮度信号频谱图，图（b）是经压缩后的色差信号频谱（0～1.3MHz）。由图可见：我们可以把色差信号设法安插在亮度信号频带的空隙中进行传送，但是不能简单地将亮度信号和色差信号混合在一起；否则，由于它们的基波和谐波的频率相同，势必使它们相互重迭，而无法在收端将它们分离出来。

NTSC制和PAL制都采用两个色差信号对同一个副载波进行正交平衡调幅，把色差信号的频谱搬到视频高端，精确选定副载波的频率，使已调色度信号的频谱，正好插入亮度信号的频谱空隙处，以形成频谱交错，如图（c）所示。从而达到压缩频带的目的。

通过高频混合原理和频谱交错两项措施，将彩色电视信号的频带压缩到与黑白电视信号的带宽相同（例如6MHz）。

　

3.2.4 标准彩条信号

为了计算和测量彩色电视系统的性能，常常利用彩条测试信号，如图3.2-3（a）所示。它们是由电子电路产生的一种标准度很高的测试信号，这些彩条的顺序是白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑，研究彩条信号的波形，有助于清楚地了解彩色电视信号的特性。

 

彩条信号的基本参数有两个，即白条和彩条的幅度和饱和度。彩条信号通常有两种表示法，即双数码表示与四数码表示法。

一、双数码表示法

这种表示法是用两个百分数表示上面两个参数，即幅度百分数（％）/饱和度百分数（％）。幅度是指彩条信号中，彩条部分信号电压相对于白条部分信号电压幅度的相对值。即

幅度=

饱和度是指彩色纯净的程度，彩条中白光成分越少，饱和度越高。故

饱和度＝

在式（3.2-13）和式（3.2-14）中，E_max和E_min分别为彩条信号电压R₀、G₀和B₀中的最大值和最小值，E_W是白条的R₀、G₀、B₀电压值。双数码表示法中的一切信号电压值均指γ校正以前的数值。图3.2－3中的（b）、（c）、（d）分别给出100％/幅100％饱和度正极性彩条三基色信号波形图。由三基色信号组成的亮度信号和色差信号波形图，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%的饱和度、100％幅度彩条信号。此外，还可以有其他规范的彩条信号。例如100％饱和度、75％幅度彩条信号等。

二、四数码表示法

白条对应的基色/黑条对应的基色/彩条对应的基色/彩条对应的基色

幅度百分数 / 幅度百分数 /最大幅度百分数/最小幅度百分数

以上幅度是指γ校正后的信号而不是指γ校正前的信号 ，并且以白条的基色幅度作为100％。常见的有100－0－100－0彩条、100－0－75－0彩条、100－0－100－25彩条等等。我国电视规定采用100－0－75－0彩条，此彩条原是欧洲广播联盟（European Broadcastin Union）提出并采用的，故称为EBU彩条。上述彩条的饱和度和幅度可按下式计算：

饱和度＝

幅度＝

式中，E_max和E_min分别是彩条信号R、G、B中的最大值和最小值，E_w是组成白条时R、G、B的幅度。不难看出，按式（3.2-14）和式（3.2-15）计算的饱和度结果相同，而分别按式（3.2-13）和式（3.2-16）计算的幅度结果不相同，它们分别表示γ校正前、后的百分数幅度。

按式（3.2-15）和式（3.2-16）可以算出，100－0－100－0彩条信号为100％饱和度和100％幅度；100－0－75－0彩条信号为100％饱和度和75％幅度。而对于100－0－100－25彩条信号，当γ＝2.2时为95％饱和度和100％幅度；当γ＝2.8时则为98％的饱和度和100％幅度。

当彩色电视系统传送实际景物或图象时，通常不会出现100－0－100－0彩条信号那样的高饱和度和大幅度。所以一般不采用这种彩条信号，只有在精细调整编码器和解码器时才采用它。

表3－4，3－5和3－6分别给出三种彩条信号的基色信号R、G、B，亮度信号Y和色差R－Y，B－Y的数据。这些数据的基准是黑电平作为零、峰值白电平作为1。

根据上列各表数据分别画出三种彩条的基色信号，亮度信号与色差信号波形图，如图3.2-4所示。由表3－5和3－6数据可以看出，后两种彩条的色差信号完全相同。