黑白電視系統(tǒng)組成的原理

§1.2 黑白電視系統(tǒng)組成原理

1.2.1 圖象分解與順序傳送

語(yǔ)言廣播基于聲電轉(zhuǎn)換原理。各種聲音作用于人耳的聲強(qiáng)是時(shí)間的單值函數(shù)，故聲音電信號(hào)是關(guān)于時(shí)間的一維函數(shù)，即。這種電信號(hào)容易傳送。而圖象信號(hào)則不然，景物各點(diǎn)的亮度不同，是隨空間位置變化的，且每一點(diǎn)的亮度又隨時(shí)間而變化，故景物之亮度B是空間坐標(biāo)x、y、z和時(shí)間t的四維函數(shù)，即

上式為黑白立體圖象信號(hào)表達(dá)式。對(duì)平面圖象而言有

因此，即使傳遂平面圖象信號(hào)也不容易，因任一平面均為無(wú)窮個(gè)點(diǎn)之集合，對(duì)于任一時(shí)刻t0，擁有無(wú)限大的信息量。

仿“傳真”技術(shù)，將平面圖象分解成若干個(gè)小面積之和。當(dāng)這些小面積小于一定程度時(shí)，由于人眼分辯黑白細(xì)節(jié)能力是有限的，故它在人眼看來(lái)是一個(gè)點(diǎn)。它們是組成圖象的基本元素。用這些象素的亮度變化，代替整幅平面圖象的亮度變化，這實(shí)質(zhì)是對(duì)圖象信號(hào)的空間抽樣，將靜止圖象的信息從無(wú)限變成有限。

按我國(guó)的電視制式計(jì)算，一幅靜止電視圖象約包含48萬(wàn)個(gè)象素，傳送這些象素的方法有兩種：其一是同時(shí)傳送，即采用48萬(wàn)個(gè)信道，對(duì)各象素的亮度分別進(jìn)行傳送，這在實(shí)際中顯然是辦不到的。其二是順序傳送，如圖1.2－1所示系統(tǒng)。

將平面圖象各象素的亮度按一定順序轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，一個(gè)接一個(gè)地傳送出去，在接收端按相同順序在同幅型比之平面上恢復(fù)發(fā)端圖象。當(dāng)其傳送速度快到一定程度時(shí)，由于視覺(jué)惰性和發(fā)光材料的余輝特性，我們將會(huì)感到整幅圖象是同時(shí)發(fā)光而無(wú)順序感，這就完成了一幅平面靜止圖象的傳送。

對(duì)于活動(dòng)圖象，任一瞬間都有一幅對(duì)應(yīng)的靜止圖象，在任一有限時(shí)間內(nèi)將包含無(wú)窮多幅圖象。利用視覺(jué)的惰性，電影技術(shù)每秒鐘只傳送24幅連續(xù)靜止圖象便可以獲得活動(dòng)圖象，故廣播電視每秒也只傳送25幀（幅）或30幀圖象，亦可得到活動(dòng)的電視圖象。這種方法可以看作是對(duì)活動(dòng)圖象信號(hào)的時(shí)間抽樣。對(duì)圖象信息的空間抽樣和時(shí)間抽樣極大地壓縮了被傳送的圖象信息，使之從無(wú)限變成有限，從而達(dá)到技術(shù)可以傳送的程度。

圖1.2－1所示開(kāi)關(guān)K1和K2是一種同步控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)K1和K2按相同順序依次接通收發(fā)兩端對(duì)應(yīng)象素時(shí)，發(fā)端圖象的亮度分布就傳送到收端并重現(xiàn)于顯示平面上。實(shí)際順序傳送系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)是由電子束掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其掃描順序如看書(shū)的視線(xiàn)一樣，從左至右，從上至下，一行行，一頁(yè)頁(yè)地掃過(guò)。在電視中，從左至右的掃描稱(chēng)為行掃描，從上至下的掃描稱(chēng)為場(chǎng)掃描。

使收發(fā)兩端的掃描按照相同的規(guī)律進(jìn)行稱(chēng)為同步。顯而易見(jiàn)，同步乃是順序傳送的關(guān)鍵，一旦失去同步，收端就無(wú)法正確重現(xiàn)發(fā)端的圖象。

從數(shù)學(xué)的角度看，掃描就是把空間坐標(biāo)x和y變換成時(shí)間t的函數(shù)

將上式代入式（1.2－2）中，平面圖象信號(hào)能轉(zhuǎn)化成時(shí)間的一維函數(shù)，即

故能用單一信道傳送，因此掃描實(shí)現(xiàn)了空間到時(shí)間的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)空轉(zhuǎn)換。

1.2.2 光電轉(zhuǎn)換原理

電視技術(shù)傳送圖象基于光電轉(zhuǎn)換原理。在發(fā)端利用攝象器件將景物的亮度變成電信號(hào)，在收端采用顯象器件將電信號(hào)還原成圖象亮度。攝象和顯象器件都有直空器件和固體器件之分。本節(jié)僅以真空器件（攝象管和顯象管）為例來(lái)說(shuō)明光電轉(zhuǎn)換原理。

攝象管有好多種，現(xiàn)以光電導(dǎo)攝象管為例說(shuō)明光到電的轉(zhuǎn)換過(guò)程。光電導(dǎo)攝象管的結(jié)構(gòu)如圖1.2－2（a）所示，它主要由光電靶和電子槍兩部分組成。光電靶是由光敏半導(dǎo)體材料制成的，這種材料具有在光作用下電導(dǎo)率增加的特性。需要傳送的景物通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)（鏡頭）在攝象管的光電靶上成象，由于光象各部分的亮度不同，靶上各部分（各單元）的電導(dǎo)率也發(fā)生了相應(yīng)的變化。與較亮象素對(duì)應(yīng)的靶單元的電導(dǎo)較大，與較暗象對(duì)應(yīng)的靶單元的電導(dǎo)較小，于是景物各象素的亮度不同變成了靶面上各單元電導(dǎo)的不同，“光象”變成了“電象”。

電子槍的任務(wù)是發(fā)射電子束，聚焦線(xiàn)圈與偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使電子束以聚焦?fàn)顟B(tài)按一定規(guī)律（即從左到右，從上到下，一行一行地）掃描靶上各點(diǎn)。當(dāng)電子束接觸到靶面某點(diǎn)時(shí)，電子槍?zhuān)帢O）與信號(hào)板、負(fù)載[Page]RL的電源E就構(gòu)成一個(gè)回路，在負(fù)載RL中就有電流流過(guò)，電流的大小取決于光電靶上該點(diǎn)電導(dǎo)率的大小。因此，當(dāng)電子束按一定規(guī)律在靶面上掃描時(shí)，便在負(fù)載上集資得到與景物各點(diǎn)亮度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（稱(chēng)為圖象信號(hào)）。從而完成了將圖象分解為象素以及把各象素亮度按順序轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，這一過(guò)程又稱(chēng)為圖象的攝取過(guò)程。

應(yīng)該注意，象素亮度越大，流過(guò)負(fù)載RL的相應(yīng)電流也越大，但是其輸出信號(hào)電平將越低。

在收端是依靠顯象管完成電到光的轉(zhuǎn)換。顯象管主要由電子槍和熒光屏兩部分構(gòu)成，如圖1.2－2（b）所示。顯象管的電---光轉(zhuǎn)換是應(yīng)用熒光效應(yīng)。熒光物如硫化鋅在電子束的沖擊下會(huì)發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度取決于發(fā)射電子的數(shù)量與速度，只要用代表圖象的電信號(hào)去控制電子束的強(qiáng)弱，再控電視攝象管中相同的規(guī)律來(lái)掃描熒光屏，便能完成由電到光的轉(zhuǎn)換，重現(xiàn)電視圖象。

實(shí)驗(yàn)表明：顯象管顯示的亮度（Bd）與所加控制電壓（E）的γ次方成正比，即

上式中，γ＝2.2～2.8，k2o為常數(shù)。假設(shè)電信號(hào)在傳輸中未產(chǎn)生失真，為使重現(xiàn)圖象亮度與原景物亮度（B0）成正比，就必須使攝象所得的電信號(hào)（E0＝k1B0）開(kāi)γ次方后再傳輸出。即

帶有γ校正的簡(jiǎn)單黑白電視系統(tǒng)如圖1.2－3所示，在該系統(tǒng)中，重現(xiàn)圖象的亮度為

因?yàn)闉橐怀?shù)，故電視系統(tǒng)經(jīng)過(guò)γ校正后，重現(xiàn)圖象的亮度就能與原景物的亮度成正比，從而克服了光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的圖象亮度非線(xiàn)性失真。