2.2 彩色電視信號

2.2.1 掃描——空間頻率到時間頻率的轉換

在電視系統中，攝像管是通過電子束掃描（利用CCD攝取信號的過程與這一方式完全等效）將圖像分解成與像素對應的隨時間變化的電信號的。在接收端，顯像管則以完全相同的方式，利用電子束從左到右、從上到下的掃描，將電視圖像在屏幕上顯示出來。

假定落到攝像管光電靶面上的圖像是一幅正弦光柵，如圖2-8（a）所示，其光柵亮度L沿水平方向x的分布是按圖（b）所示的正弦規律變化的。在攝像管中，電子束從左到右掃描形成電信號。圖（c）是與圖（a）相對應的一個掃描行上的電信號。該信號稱為視頻信號或電視信號，其特點是它的下限頻率可以接近于零頻。圖（b）和圖（c）都是正弦波，但它們的縱坐標一個是亮度，另一個是信號電流，而橫坐標則分別為水平距離x和時間t。

假設fx（周/米）為正弦光柵的空間頻率，W為光柵的寬度，fxW則為電子束在一行掃描中所掃過的亮度波形的總周期數。電子束從左至右的掃描，稱為行正程掃描；從右回到左端，則稱為行逆程。攝像管電子束在逆程期間不拾取信號，因此，顯像管在逆程期間也不呈現圖像。設行正程對應的時間為thf。對比圖（b）與（c）可以看到，在時間thf內，電信號變化總周期數等于亮度信號在W內變化的總周期數，因此，電信號的時間頻率f可以表示為

式中，W/thf為電子束的正程掃描速度。（2-11）式說明了在將光像轉換成電信號過程中的一個基本概念：當需要傳送的圖像細節fx固定時，視頻信號的頻率f與掃描速度成正比；或者，在掃描速度固定時，信號頻率f與要傳送的細節fx成正比。

2.2.2 隔行掃描與逐行掃描

在電影技術中，每秒鐘向銀幕上投影24幅畫面，再將每一幅畫面用遮光閥擋一次，從而得到48次的重復頻率，將一個電影膠卷的長度降低了一倍。與此類似，在電視中采用了圖2-9（a）所示的隔行掃描方式：第一場（稱為奇數場或頂場）掃描第1、3、5等奇數行（實線所示），第二場（稱為偶數場或底場）掃描2、4、6等偶數行（虛線所示）。兩場合起來構成一幅畫面，稱為一幀。這樣，每秒鐘光柵閃爍的次數是50次，而實際顯示的畫面只有25幅，即場頻為50Hz，而幀頻只有25Hz。因為每一場的行數只是一幅畫面行數的1/2，與逐行掃描[即50次中的每一次都掃遍所有的行，如圖2-9（b）所示]相比，其掃描速度只是后者的一半。由（2-11）式可知，在傳送細節相同的條件下，采用隔行掃描時所需要的視頻帶寬為逐行掃描的1/2。

人們很自然地會聯想到，隔多行掃描不是可以進一步降低掃描速度和視頻帶寬嗎？結論是肯定的。但是光柵中每一行的重復頻率太低時，會出現行間閃爍的現象。另外，幀頻比25Hz低得太多時還會出現運動的不連續，因此隔多行的掃描方式不為廣播電視所采用。

2.2.3 電視信號的帶寬

在隔行掃描中，場頻fv＝2ff，其中ff為幀頻率。從圖2-9中可以看到，電子束在掃完每一場的最后一行之后，要回到頂端開始下一場的掃描。從下端回到頂端所用的時間，稱為場掃描逆程時間。設k1為場掃描正程時間與完成一場掃描（場正程＋場逆程）的總時間之比，即

如前所述，電子束在結束行正程掃描以后，也需要有一定的逆程掃描時間才能開始下一行的正程掃描。設k2為行掃描正程時間與掃描一行的總時間（行正程＋行逆程）之比，即

這里，Th為行掃描周期。

假設每幀（兩場）圖像的總掃描行數（包括正程和逆程）為Z，幀正程掃描（有效）行數為n＝k1Z。我們注意到電子束在進行掃描時，并不是任何情況下每一掃描行都能代表系統在垂直方向上一行的分解力的。例如圖2-10所示的由黑白相間的水平條紋組成的圖像，如果掃描光柵的位置剛好是前一行掃過白條紋，后一行掃過黑條紋，那未掃描的行數等于它在垂直方向上所能分辨的黑白條紋的數目。如果電子束掃描的位置恰好跨在黑白條紋之間，系統則完全失去了分辨這些條紋的能力，這時電視屏幕上顯示出來的將是一片灰色。很明顯，對于這種極端的情況，只有將黑白條紋的密度降低一半，或者有效行數n提高一倍，電視系統才能將其分解清楚。這時系統在垂直方向上的分解力等于有效行數的1/2。雖然像圖2-10所示的這種極端的情況在實際景物中并不會經常遇到，但是按統計規律來講，電視系統在垂直方向上能夠分辨的線數（黑白條紋）Nv要比有效行數n低，即

Nv＝Kn （2-14）

式中，K稱為凱耳（Kell）系數。在實際的系統設計中，K取0.7。

在垂直或水平方向上能夠分辨的線數是電視業界傳統用來描述電視系統分辨細節能力的參數，也稱垂直或水平分解力。如果我們將分解力換算成空間頻率，則（2-14）式變為

式中，fymax為系統可分辨的最高垂直空間頻率；H為屏幕的高度。由于黑白兩條線構成一個亮度變化周期，因此在將分解力轉換成空間頻率時應除以2。

人眼在視覺敏銳的視場范圍內，其垂直和水平方向上的分辨力是近似相同的，因此要求電視系統在這兩個方向上也具有相等的分解力，或者說，系統在兩個方向上的空間截止頻率應該相同。即要求

fxmax＝fymax（2-16）

將（2-15）式和（2-16）式代入（2-11）式得到電視信號的上限頻率為

式中，W/H為屏幕的寬高比。根據幀掃描行數、行頻和幀頻的關系以及（2-13）式，（2-17）式可寫成

上式給出了電視圖像信號的上限頻率，它在數值上等于視頻信號的帶寬，因為視頻信號的下限頻率為零頻。在現行電視制度下，由于采用隔行掃描，上式中ff取25Hz。假如是逐行掃描，ff則需要取50Hz才能使閃爍的感覺減弱到令人滿意的程度。使用隔行掃描將視頻帶寬降低了1倍。

總結這一節的討論，應該牢固地建立起這樣的概念：圖像的某一細節部分與特定的空間頻率相對應，這一信息經過掃描變成電信號（視頻信號），掃描速度越高（幀頻越高或每幀畫面的掃描行數越多），這一細節所對應的電信號的頻率也越高，傳送這一細節所需要的通道帶寬也就越高。

2.2.4 彩色空間的處理

從2.1.4節中已經知道，三種基色光的強度R、G、B之和代表了它們合成彩色的亮度，而它們之間的比值R∶G∶B則代表了合成彩色的色調和飽和度。也就是說，亮度、色調與飽和度相互關聯，共同由R、G、B三個量來代表。

在彩色電視發展的初期，社會上已經存在著相當數量的黑白電視機和黑白電視臺，為了擴大節目的收看率，要求彩色電視系統的設計必須考慮到與已有的黑白電視之間的兼容。所謂兼容，即是彩色電視機能收看到黑白電視臺播送的節目，而黑白電視機也能收看彩色電視臺播送的節目。當然，在這兩種情況下所收看到的兼容節目都只能是黑白圖像。為了滿足兼容的要求，需要將表示亮度和表示顏色的信號分離開，如圖2-11所示，這可以將R、G、B通過線性變換來實現。在PAL電視制式中，線性變換后產生亮度信號Y和兩個色差信號，U和V。對于黑白圖像，U＝0，V＝0。對于彩色圖像，U和V的比值決定色調，而代表彩色的飽和度。對于NTSC制式，經類似的變換將產生亮度信號Y和色差信號I、Q。

由于攝像管的光電轉換特性和顯像管的電光轉換特性都存在非線性，為了使最終顯示出來的光像的亮度層次不出現畸變，必須在將R、G、B電信號送上顯像管之前進行非線性校正，這稱為γ校正。為了降低接收機的成本，γ校正通常預先在攝像機內進行。圖2-11中信號即為經過γ校正的電信號。

圖2-11中的線性變換實際上是一個解相關的過程。經變換后，表示亮度和表示彩色的量被分離開，這不但有利于彩色與黑白電視的兼容，而且可以利用視覺對彩色的分辨力低于對亮度細節的分辨力的特點，將色差信號用比亮度信號窄的頻帶傳送。例如，在我國的電視制式（PAL）下，Y的帶寬為6MHz，U和V的帶寬僅為1.3MHz。

（2-19）式給出了線性變換的一種具體形式：

式中均為值在0～1范圍內的模擬信號，而Y的取值范圍為0～1，U和V的取值范圍為-0.5～0.5。

對于不同的標準白光源和不同色坐標的熒光粉，國際電聯無線電組（ITU-R）和國際電視工程師協會（SMPTE）規定了若干種變換矩陣。（2-19）式中的變換矩陣對應于SMPTE170M三色坐標和參考白色D6500。

2.2.5 全彩色電視信號

1.色度信號的傳送與彩色電視制式

黑白電視中只需要傳送一個亮度信號，而在彩色電視中，則需要在滿足與黑白電視兼容，而且在不增加黑白電視所規定的信道帶寬（如6MHz）的條件下，同時傳送亮度信號和兩個色差信號。如何找到一個可取的方案去實現這一要求，是彩色電視制式所要解決的問題。不同的色差信號傳送方案就形成了不同的彩色電視制式。

當前世界上主要的彩色電視制式有三種：NTSC、PAL和SECAM。我國采用的是PAL制，而NTSC制是PAL制的基礎。

2.頻譜交錯原理和平衡正交調制

眾所周知，周期性信號的頻譜是線狀的，其譜線分布在基頻（周期的倒數）和它的諧波上。由于掃描，電視信號在行和場的周期上都呈現著一定的周期性，因此視頻信號的能量主要分布在行掃描頻率fh及其各次諧波nfh上（見圖2-12）；在兩條相鄰譜線之間，能量則很微弱，以至于可以把它看作是空白的。色差信號U和V的頻譜分布也遵循同樣的規律。如果選擇某一數值等于（2n＋1）fh/2（半行頻的奇數倍）的載頻fsc，先將兩個色差信號U和V調制到fsc上，然后再與亮度信號疊加在一起，色度信號的能量就剛好落在亮度信號頻譜的空白處，如圖2-12虛線所示。這就是亮度信號與色度信號按照頻譜交錯間置、共頻帶傳送的基本原理。

發射機中用以傳送整個彩色電視信號的射頻載頻通常稱為主載頻，上述用來形成能夠與亮度信號頻譜間置的色度信號所用的載頻fsc則稱為副載頻。

因為副載頻只有一個，而作為調制信號的色差信號卻有兩個，這就需要對同一載頻的兩個不同的相位進行兩相調制。在彩色電視中，是將兩個色差信號分別調制在副載頻的兩個正交相位上的，因此稱為正交調制。

一般調幅波可以表示成A（1＋mcosΩt）cos2πft的形式。將它分解開來則可看出，它包含著載頻和上、下邊頻，載頻分量不攜帶任何信息。為了避免副載頻對電視圖像的干擾，U和V信號采取了抑制載頻分量的調幅方式，稱為平衡調制。U和V信號經過平衡調制后的結果分別為Usin2πfsct和Vcos2πfsct，二者之和稱為色度信號。

將色度信號與亮度信號Ey疊加到一起，就構成NTSC制的基帶彩色電視信號：

EM＝Ey＋Usin2πfsct＋Vcos2πfsct （2-20）

基帶彩色電視信號EM的頻譜如圖2-13所示。亮度信號帶寬為0～6MHz，而色度信號經副載頻fsc的調制，在頻帶高端與亮度信號的頻譜交錯間置。

在正統的NTSC系統中，是用I、Q信號代替上式中的U和V信號進行正交平衡調制的。I、Q信號可由U和V信號通過適當的線性組合而得到，其目的在于利用人眼對彩色平面上不同方向的分辨力不同，進一步降低色差信號所需要的帶寬。

NTSC制的缺點是對信道的微分相位失真（DP）比較敏感。傳輸信道的DP失真將導致圖像的色調失真，PAL制就是為了克服這一缺點而提出來的。其具體做法是將（2-20）式中的第3項（色度信號的V分量）逐行倒相180°，即

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

式中，S（t）是一個重復周期等于2行掃描時間的方波脈沖，前半個周期（一行的時間）為＋1，后半個周期則為－1。對于PAL制的詳細討論見文獻。

3.復合電視信號、分離式電視信號和分量電視信號

彩色視頻信號再加上有關的（行、場和副載頻）同步信號就構成了全彩色電視信號，或稱復合電視信號（Composite TV Signal）。圖2-14表示出了對應于彩條圖像（白、黃、青、綠、紫、紅、藍、黑）的全彩色電視信號一行的波形，其中左側的負脈沖和副載波群分別為在行逆程中傳送的行同步和色同步信號，正程信號中不同的臺階代表不同彩條的亮度電平，疊加在上面的是經副載頻調制后的色度信號。

頻譜交錯是彩色電視發展中的一個卓越思想，但是利用這一原理混合在一起的亮度和色度信號，一般很難在接收端完全地分離。若系統存在非線性，則亮度和色度信號交叉調制將相互形成干擾，使顯現出來的圖像質量下降。為了避免這一問題，在允許基帶傳送的情況下，例如錄像機或攝像機直接與接收機相連時，常常采用2個通道分別傳送亮度信號和色度信號，這兩個信號就稱為分離式電視信號S-Video（Seperate Video）。

與復合電視信號和分離式電視信號相對應，未經副載頻調制的三個圖像信號，R、G、B或Y、U、V則稱為分量電視信號（Component Signal）。這是在數字電視和多媒體系統中視頻信號所采用的基本形式。