2.2 彩色电视信号

2.2.1 扫描——空间频率到时间频率的转换

在电视系统中，摄像管是通过电子束扫描（利用CCD摄取信号的过程与这一方式完全等效）将图像分解成与像素对应的随时间变化的电信号的。在接收端，显像管则以完全相同的方式，利用电子束从左到右、从上到下的扫描，将电视图像在屏幕上显示出来。

假定落到摄像管光电靶面上的图像是一幅正弦光栅，如图2-8（a）所示，其光栅亮度L沿水平方向x的分布是按图（b）所示的正弦规律变化的。在摄像管中，电子束从左到右扫描形成电信号。图（c）是与图（a）相对应的一个扫描行上的电信号。该信号称为视频信号或电视信号，其特点是它的下限频率可以接近于零频。图（b）和图（c）都是正弦波，但它们的纵坐标一个是亮度，另一个是信号电流，而横坐标则分别为水平距离x和时间t。

假设fx（周/米）为正弦光栅的空间频率，W为光栅的宽度，fxW则为电子束在一行扫描中所扫过的亮度波形的总周期数。电子束从左至右的扫描，称为行正程扫描；从右回到左端，则称为行逆程。摄像管电子束在逆程期间不拾取信号，因此，显像管在逆程期间也不呈现图像。设行正程对应的时间为thf。对比图（b）与（c）可以看到，在时间thf内，电信号变化总周期数等于亮度信号在W内变化的总周期数，因此，电信号的时间频率f可以表示为

式中，W/thf为电子束的正程扫描速度。（2-11）式说明了在将光像转换成电信号过程中的一个基本概念：当需要传送的图像细节fx固定时，视频信号的频率f与扫描速度成正比；或者，在扫描速度固定时，信号频率f与要传送的细节fx成正比。

2.2.2 隔行扫描与逐行扫描

在电影技术中，每秒钟向银幕上投影24幅画面，再将每一幅画面用遮光阀挡一次，从而得到48次的重复频率，将一个电影胶卷的长度降低了一倍。与此类似，在电视中采用了图2-9（a）所示的隔行扫描方式：第一场（称为奇数场或顶场）扫描第1、3、5等奇数行（实线所示），第二场（称为偶数场或底场）扫描2、4、6等偶数行（虚线所示）。两场合起来构成一幅画面，称为一帧。这样，每秒钟光栅闪烁的次数是50次，而实际显示的画面只有25幅，即场频为50Hz，而帧频只有25Hz。因为每一场的行数只是一幅画面行数的1/2，与逐行扫描[即50次中的每一次都扫遍所有的行，如图2-9（b）所示]相比，其扫描速度只是后者的一半。由（2-11）式可知，在传送细节相同的条件下，采用隔行扫描时所需要的视频带宽为逐行扫描的1/2。

人们很自然地会联想到，隔多行扫描不是可以进一步降低扫描速度和视频带宽吗？结论是肯定的。但是光栅中每一行的重复频率太低时，会出现行间闪烁的现象。另外，帧频比25Hz低得太多时还会出现运动的不连续，因此隔多行的扫描方式不为广播电视所采用。

2.2.3 电视信号的带宽

在隔行扫描中，场频fv＝2ff，其中ff为帧频率。从图2-9中可以看到，电子束在扫完每一场的最后一行之后，要回到顶端开始下一场的扫描。从下端回到顶端所用的时间，称为场扫描逆程时间。设k1为场扫描正程时间与完成一场扫描（场正程＋场逆程）的总时间之比，即

如前所述，电子束在结束行正程扫描以后，也需要有一定的逆程扫描时间才能开始下一行的正程扫描。设k2为行扫描正程时间与扫描一行的总时间（行正程＋行逆程）之比，即

这里，Th为行扫描周期。

假设每帧（两场）图像的总扫描行数（包括正程和逆程）为Z，帧正程扫描（有效）行数为n＝k1Z。我们注意到电子束在进行扫描时，并不是任何情况下每一扫描行都能代表系统在垂直方向上一行的分解力的。例如图2-10所示的由黑白相间的水平条纹组成的图像，如果扫描光栅的位置刚好是前一行扫过白条纹，后一行扫过黑条纹，那未扫描的行数等于它在垂直方向上所能分辨的黑白条纹的数目。如果电子束扫描的位置恰好跨在黑白条纹之间，系统则完全失去了分辨这些条纹的能力，这时电视屏幕上显示出来的将是一片灰色。很明显，对于这种极端的情况，只有将黑白条纹的密度降低一半，或者有效行数n提高一倍，电视系统才能将其分解清楚。这时系统在垂直方向上的分解力等于有效行数的1/2。虽然像图2-10所示的这种极端的情况在实际景物中并不会经常遇到，但是按统计规律来讲，电视系统在垂直方向上能够分辨的线数（黑白条纹）Nv要比有效行数n低，即

Nv＝Kn （2-14）

式中，K称为凯耳（Kell）系数。在实际的系统设计中，K取0.7。

在垂直或水平方向上能够分辨的线数是电视业界传统用来描述电视系统分辨细节能力的参数，也称垂直或水平分解力。如果我们将分解力换算成空间频率，则（2-14）式变为

式中，fymax为系统可分辨的最高垂直空间频率；H为屏幕的高度。由于黑白两条线构成一个亮度变化周期，因此在将分解力转换成空间频率时应除以2。

人眼在视觉敏锐的视场范围内，其垂直和水平方向上的分辨力是近似相同的，因此要求电视系统在这两个方向上也具有相等的分解力，或者说，系统在两个方向上的空间截止频率应该相同。即要求

fxmax＝fymax（2-16）

将（2-15）式和（2-16）式代入（2-11）式得到电视信号的上限频率为

式中，W/H为屏幕的宽高比。根据帧扫描行数、行频和帧频的关系以及（2-13）式，（2-17）式可写成

上式给出了电视图像信号的上限频率，它在数值上等于视频信号的带宽，因为视频信号的下限频率为零频。在现行电视制度下，由于采用隔行扫描，上式中ff取25Hz。假如是逐行扫描，ff则需要取50Hz才能使闪烁的感觉减弱到令人满意的程度。使用隔行扫描将视频带宽降低了1倍。

总结这一节的讨论，应该牢固地建立起这样的概念：图像的某一细节部分与特定的空间频率相对应，这一信息经过扫描变成电信号（视频信号），扫描速度越高（帧频越高或每帧画面的扫描行数越多），这一细节所对应的电信号的频率也越高，传送这一细节所需要的通道带宽也就越高。

2.2.4 彩色空间的处理

从2.1.4节中已经知道，三种基色光的强度R、G、B之和代表了它们合成彩色的亮度，而它们之间的比值R∶G∶B则代表了合成彩色的色调和饱和度。也就是说，亮度、色调与饱和度相互关联，共同由R、G、B三个量来代表。

在彩色电视发展的初期，社会上已经存在着相当数量的黑白电视机和黑白电视台，为了扩大节目的收看率，要求彩色电视系统的设计必须考虑到与已有的黑白电视之间的兼容。所谓兼容，即是彩色电视机能收看到黑白电视台播送的节目，而黑白电视机也能收看彩色电视台播送的节目。当然，在这两种情况下所收看到的兼容节目都只能是黑白图像。为了满足兼容的要求，需要将表示亮度和表示颜色的信号分离开，如图2-11所示，这可以将R、G、B通过线性变换来实现。在PAL电视制式中，线性变换后产生亮度信号Y和两个色差信号，U和V。对于黑白图像，U＝0，V＝0。对于彩色图像，U和V的比值决定色调，而代表彩色的饱和度。对于NTSC制式，经类似的变换将产生亮度信号Y和色差信号I、Q。

由于摄像管的光电转换特性和显像管的电光转换特性都存在非线性，为了使最终显示出来的光像的亮度层次不出现畸变，必须在将R、G、B电信号送上显像管之前进行非线性校正，这称为γ校正。为了降低接收机的成本，γ校正通常预先在摄像机内进行。图2-11中信号即为经过γ校正的电信号。

图2-11中的线性变换实际上是一个解相关的过程。经变换后，表示亮度和表示彩色的量被分离开，这不但有利于彩色与黑白电视的兼容，而且可以利用视觉对彩色的分辨力低于对亮度细节的分辨力的特点，将色差信号用比亮度信号窄的频带传送。例如，在我国的电视制式（PAL）下，Y的带宽为6MHz，U和V的带宽仅为1.3MHz。

（2-19）式给出了线性变换的一种具体形式：

式中均为值在0～1范围内的模拟信号，而Y的取值范围为0～1，U和V的取值范围为-0.5～0.5。

对于不同的标准白光源和不同色坐标的荧光粉，国际电联无线电组（ITU-R）和国际电视工程师协会（SMPTE）规定了若干种变换矩阵。（2-19）式中的变换矩阵对应于SMPTE170M三色坐标和参考白色D6500。

2.2.5 全彩色电视信号

1.色度信号的传送与彩色电视制式

黑白电视中只需要传送一个亮度信号，而在彩色电视中，则需要在满足与黑白电视兼容，而且在不增加黑白电视所规定的信道带宽（如6MHz）的条件下，同时传送亮度信号和两个色差信号。如何找到一个可取的方案去实现这一要求，是彩色电视制式所要解决的问题。不同的色差信号传送方案就形成了不同的彩色电视制式。

当前世界上主要的彩色电视制式有三种：NTSC、PAL和SECAM。我国采用的是PAL制，而NTSC制是PAL制的基础。

2.频谱交错原理和平衡正交调制

众所周知，周期性信号的频谱是线状的，其谱线分布在基频（周期的倒数）和它的谐波上。由于扫描，电视信号在行和场的周期上都呈现着一定的周期性，因此视频信号的能量主要分布在行扫描频率fh及其各次谐波nfh上（见图2-12）；在两条相邻谱线之间，能量则很微弱，以至于可以把它看作是空白的。色差信号U和V的频谱分布也遵循同样的规律。如果选择某一数值等于（2n＋1）fh/2（半行频的奇数倍）的载频fsc，先将两个色差信号U和V调制到fsc上，然后再与亮度信号叠加在一起，色度信号的能量就刚好落在亮度信号频谱的空白处，如图2-12虚线所示。这就是亮度信号与色度信号按照频谱交错间置、共频带传送的基本原理。

发射机中用以传送整个彩色电视信号的射频载频通常称为主载频，上述用来形成能够与亮度信号频谱间置的色度信号所用的载频fsc则称为副载频。

因为副载频只有一个，而作为调制信号的色差信号却有两个，这就需要对同一载频的两个不同的相位进行两相调制。在彩色电视中，是将两个色差信号分别调制在副载频的两个正交相位上的，因此称为正交调制。

一般调幅波可以表示成A（1＋mcosΩt）cos2πft的形式。将它分解开来则可看出，它包含着载频和上、下边频，载频分量不携带任何信息。为了避免副载频对电视图像的干扰，U和V信号采取了抑制载频分量的调幅方式，称为平衡调制。U和V信号经过平衡调制后的结果分别为Usin2πfsct和Vcos2πfsct，二者之和称为色度信号。

将色度信号与亮度信号Ey叠加到一起，就构成NTSC制的基带彩色电视信号：

EM＝Ey＋Usin2πfsct＋Vcos2πfsct （2-20）

基带彩色电视信号EM的频谱如图2-13所示。亮度信号带宽为0～6MHz，而色度信号经副载频fsc的调制，在频带高端与亮度信号的频谱交错间置。

在正统的NTSC系统中，是用I、Q信号代替上式中的U和V信号进行正交平衡调制的。I、Q信号可由U和V信号通过适当的线性组合而得到，其目的在于利用人眼对彩色平面上不同方向的分辨力不同，进一步降低色差信号所需要的带宽。

NTSC制的缺点是对信道的微分相位失真（DP）比较敏感。传输信道的DP失真将导致图像的色调失真，PAL制就是为了克服这一缺点而提出来的。其具体做法是将（2-20）式中的第3项（色度信号的V分量）逐行倒相180°，即

EM＝Ey＋Usin2πfsct＋S（t）Vcos2πfsct （2-21）

式中，S（t）是一个重复周期等于2行扫描时间的方波脉冲，前半个周期（一行的时间）为＋1，后半个周期则为－1。对于PAL制的详细讨论见文献。

3.复合电视信号、分离式电视信号和分量电视信号

彩色视频信号再加上有关的（行、场和副载频）同步信号就构成了全彩色电视信号，或称复合电视信号（Composite TV Signal）。图2-14表示出了对应于彩条图像（白、黄、青、绿、紫、红、蓝、黑）的全彩色电视信号一行的波形，其中左侧的负脉冲和副载波群分别为在行逆程中传送的行同步和色同步信号，正程信号中不同的台阶代表不同彩条的亮度电平，叠加在上面的是经副载频调制后的色度信号。

频谱交错是彩色电视发展中的一个卓越思想，但是利用这一原理混合在一起的亮度和色度信号，一般很难在接收端完全地分离。若系统存在非线性，则亮度和色度信号交叉调制将相互形成干扰，使显现出来的图像质量下降。为了避免这一问题，在允许基带传送的情况下，例如录像机或摄像机直接与接收机相连时，常常采用2个通道分别传送亮度信号和色度信号，这两个信号就称为分离式电视信号S-Video（Seperate Video）。

与复合电视信号和分离式电视信号相对应，未经副载频调制的三个图像信号，R、G、B或Y、U、V则称为分量电视信号（Component Signal）。这是在数字电视和多媒体系统中视频信号所采用的基本形式。