运维人员岗位培训传输专业12图像通信原理ppt课件.ppt
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1、中国网通(集团)有限公司 2006年11月1日,中国网通运维人员岗位培训丛书传输专业,内部资料 注意保密,图像通信原理,电视技术基础,电视原理基础 彩色的基本概念 彩色电视制式与彩色电视信号,电视原理基础 基本概念 光电与电光变换 我国广播电视扫描参数 图像信号的基本参量(亮度、对比度和灰度),像素,平面图像,根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性,总可以看成是由许许多多的小单元组成。在图像处理系统中,这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小,单位面积上的像素数目就越多,图象帧,电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理,或称为传送了一帧,每帧图像由许多像素组成,帧是构成活动图象
2、最小单元。,同时传输制,每个象素占用一条传输通道,把所有象素的亮度信息同时转换成相应的电信号,并同时传输出去。一阵画面分解成几十万个象素就需要几十万条通道。在电路上同时提供几十万条通道是不现实的,因此,同时传输制未被采用。,顺序传输制,平面图像,根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性,总可以看成是由许许多多的小单元组成。在图像处理系统中,这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小,单位面积上的像素数目就越多,顺序传输制,(1)顺序传输制的含义: 顺序传输制是将景物分解成极多象素后,把所有象素的亮度信息按时间顺序一一传输出相应的电信号,其所用的传输通路只需一条。 (2)顺序传输的特点: 要求传送速度快
3、。只有传送迅速,传送时间小于视觉暂留时间(约50200ms),重现图像才会给人以连续无跳动的感觉。 传送要准确。每个像素一定要在轮到它传送时才被转换、传送,并被接收方接收。且收、发双方每个像素被转换、还原的的几何位置要一一对应。即收发双方应同步工作,同步在电视系统中是十分重要的。,扫描,(1)扫描的含义: 将组成一帧图象的像素,按顺序转换成电信号的过程称为扫描。扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似,扫完第一幅后扫第二幅,如此循环。从左至右的扫描称为行扫描;自上而下的扫描称为帧(或场)扫描。电视系统中,扫描多是由电子枪进行的,通常称其为电子扫描。 (2)扫描的实质::
4、扫描的实质是将原来随空间和时间变化的函数变成只随时间变化的函数,即所以传输通道的输出 ,即单一时间函数的亮度信息变量。 (3)扫描的同步: 进行扫描时,要求收发两端的扫描规律必须严格一致,称为同步。 同步包含两个方面:一是两端的扫描速度相同,称作同频;二是两端画面之每行、每幅的扫描起始时刻相同,叫做同相。即同频又同相才能实现同步扫描,保证重现图象既无水平方向扭曲现象,也无垂直方向翻滚现象。,电视原理基础 基本概念 光电与电光变换 我国广播电视扫描参数 图像信号的基本参量(亮度、对比度和灰度),光电与电光变换,1、电视图像的传送,在发端是基于光电转换器件,在收端是基于电光转换器件。实现这两种转换
5、的器件分别是摄像管和显像管。 2、摄像管与光电转换 摄像管的组成:主要由镜头、光电靶、聚焦线圈和偏转线圈组成。 3、显像管与电光转换 显像管的组成:显像管是在接收端重现图像的电真空器件,主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。,电视原理基础 基本概念 光电与电光变换 我国广播电视扫描参数 图像信号的基本参量(亮度、对比度和灰度),我国广播电视扫描参数,扫描方式:隔行扫描。 行频 fH :15625Hz 场频 fV :50 Hz(帧频25 行周期TH:64s 场周期TV:20ms 行正程时间T52s 场逆程时间TVR:1.6 ms 行逆程时间THR:12s 场正程时间TVS:18.4 m 每帧扫描
6、行数Z:625行 每帧显示行数:575行 每场扫描行数:312.5行 每场显示行数:287.5行,电视原理基础 基本概念 光电与电光变换 我国广播电视扫描参数 图像信号的基本参量(亮度、对比度和灰度),亮度,亮度通常是指单位面积的光通量。因为单位面积光通量愈大,人眼感觉愈明亮,所以也可以说,亮度是人眼对光的明暗程度的感觉。亮度常以 B 表示,光通量的单位是烛光(cd),亮度的单位是。电视图像的亮度取决于电视图像信号的平均直流成分,改变电视图像信号的直流成分,可以改变其亮度。,对比度,电视图像的亮度一般都低于原景物亮度,考虑到人眼的适应性,只要保持重现图像的对比度与原景物的对比度接近相等即可。图
7、像信号的黑、白电平差别愈大,则对比度愈高。,灰度,灰度即亮度级差或称亮度层次。它反映电视系统所能重现的原图像明、暗层次的程度。通常电视台发送一个具有10级灰度的阶梯信号(或称级差信号),接收系统经调整后在重现图像中能加以区分的从黑到白的层次数,称其为该系统具有的灰度级。由于显像管调制特性的非线性,电视接收机一般都达不到10级灰度,一般只要能达到6级灰度,就可收看到明、暗层次较满意的图像了。 实际上,电视系统重现图像,由于受到显像管发光亮度的限制(仅数百),重现的图像无法达到景物实际亮度,但只要能反映客观景物的对比度和灰度,便可获得满意的效果。,电视原理基础 彩色的基本概念 彩色电视制式与彩色电
8、视信号,彩色的基本概念 彩色三要素和三基色原理 彩色图像的摄取与重现,三基色原理,根据三基色原理,一幅彩色图像可以分解为三个基色图像,在发端将一幅欲传送的彩色图像分解为三幅基色图像信号,合用一个通道传送给接收端;接收端将收到的三个基色图像信号还原成原来的彩色图像。,彩色图像的摄取,要实现彩色电视发送,较实用的方法就是首先要将一幅彩色图像分解为红、绿、蓝三幅基色图像,以获得三基色信号电压R、G、B。,彩色图像的重现,为了重现彩色图像,彩色电视接收机必须把收到的彩色全电视信号恢复成三基色电信号并还原成三基色图像,然后由显像管将其显示从而恢复原彩色图像。,电视原理基础 彩色的基本概念 彩色电视制式与
9、彩色电视信号,为了传送彩色图像,从兼容的角度出发,彩色电视系统中应传送一个只反映图像亮度的亮度信号,以 Y 表示,其特性应与黑白电视信号相同。同时还需传送色度信息,常以 F 表示。根据三基色原理,必须传送反映R、G、B三个基色的信息。亮度方程: Y = 0.30R + 0.59G + 0.11B,彩色电视制式与彩色电视信号,彩色电视制式与彩色电视信号 亮度、色差与R、G、B的关系 标准彩条亮度与色差信号的波形与特点 彩条图像对应的信号波形及矢量图 NTSC制色差信号 PAL制信号 SECAM制信号,亮度、色差与R、G、B的关系,由亮度方程: Y =0.30R + 0.59G + 0.11B 可
10、得色差信号: R -Y=R -(0.30R + 0.59G + 0.11B)=0.70R - 0.59G - 0.11B G -Y=G -(0.30R + 0.59G + 0.11B)= - 0.30R + 0.41G - 0.11B B -Y=B -(0.30R + 0.59G + 0.11B)= - 0.30R - 0.59G + 0.89B 三个色差信号中只有二个是独立的,常选用(R - Y)和(B - Y)两个色差代表色度信号。在传送黑白电视图像时,R、G、B应相等,因而色度信号为零。,标准彩条亮度与色差信号的波形与特点,标准彩条信号是由三个基色、三个补色、白色和黑色,依亮度递减的顺序
11、排列的8条垂直彩带。顺序排列的8条垂直彩带。彩条电压波形是在一周期内用三个宽度倍增的理想方波构成的三基色信号, 有多种规范。如 “100幅度、100饱和度”彩条,故我国规定用75%幅度、100饱和度信号作为标准测试信号。,彩条图像对应的信号波形及矢量图,1、根据表2-1所列彩条信号参数,利用公式可分别求得白、黄、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号、亮度与色度的合成信号等数据,并绘出的各信号波形。,彩条图像对应的信号波形及矢量图,2、彩条图像对应的信号波形及矢量图 根据表2-1所列彩条信号参数,利用公式可分别求得白、黄、绿、品、红、蓝、黑所对应的亮度信号、色差信号、色度信号、
12、亮度与色度的合成信号等数据,并绘出的各信号波形。,NTSC制色差信号,NTSC制的主要参数及特点 (1)主要参数 NTSC-M(美国制式) 场频 fV59.94 Hz(60Hz); 行频 fH525fV/215.734kHz; 每帧525行;图像信号标称带宽为4.2MHz伴音与图像载频之差为4.5MHz;彩色副载波频率 fSC3.57954506MHz。 (2)主要特点 色度信号编、解码方式最简单。 容易实现亮、色度信号的分离。 无影响图像质量的行顺序效应。 色度信号的相位失真对重现图像的色调影响大,相位敏感性 。,PAL制信号,PAL制的主要性能特点 (1)克服了NTSC制相位敏感的缺点。P
13、AL制使彩色相序逐行改变,使串色极性逐行取反,加之梳状滤波器在频域的分离作用,使串色大为减小。又由于人眼的视觉平均作用,就使得传输失真不再对重现彩色图像的色调产生明显的影响。可使微分相位的容限达40以上。 (2)PAL制采用 1/4 行间置再加25Hz彩色副载波,有效地实现了亮度信号与色度信号的频谱交错,因而有较好的兼容性。 (3)梳状滤波器在分离色度信号的同时,使亮度串色的幅度也下降了3dB,从而使彩色信杂比提高了3dB。 (4)由于PAL制为 1/4 行间置,所以亮、色分离要比NTSC制困难(NTSC制可以用1个整行延迟线的梳状滤波器实现亮、色分离,而PAL需要2行延迟),且分离质量也较差
14、。在要求高质量分离的场合(如制式转换和数字编码等),可采用数字滤波这类较复杂的技术。 (5)与NTSC 制相比,PAL 制电路复杂,对同步精度要求高等缺点。,SECAM制信号,SECAM制的主要特点 (1) 在NTSC和PAL制中,两个色差信号是同时传送的。SECAM制与它们不同,两个色度信号不是采用同时传送,而是采用了顺序传送的方法。比如,第n行传送(R-Y),第n+1行传送(B-Y),。这样,由于两色度信号不同时出现,就从根本上消除了两色度信号间的互相串扰问题。此外,由于亮度信号Y仍是每行都传送的,即存在Y与(R-Y)或(B-Y)同时传送的问题。从这个意义上来说,SECAM制常被称为顺序
15、同时制、而NTSC制和PAL制的Y、(R-Y)、(B-Y)三个信号是同时传送的,因而被称为同时制。 (2) SECAM制中,发送端对(R-Y)和(B-Y)两个色差信号采用了行轮换调频的方式。因之,在接收端需采用一个行延迟线,使每一行色差信号可以使用两次。在被传送的一行及未被传送的下一行(经过行延迟后)再使用一次,从而填补了末被传送的一行所缺的色差信号,这一处理方法称为存储复用技术。,数字电视技术,数字电视概述 数字串行视频信号的主要标准 数字信号的接口标准 数字音频() 辅助数据(嵌入音频) 数字信号切换 数字系统检测 数字视频系统设计,彩色电视制式与彩色电视信号 数字电视的定义 数字电视技术
16、的特点,数字电视的定义,所谓数字电视,是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录,也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能,而且还具有模拟技术不能达到的新功能,使电视技术进入崭新时代。,数字电视技术的特点,信号杂波比和连续处理的次数无关。 可避免系统的非线性失真的影响。 数字设备输出信号稳定可靠。 易于实现信号的存储,而且存储时间与信号的特性无关。 由于采用数字技术,与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 数字技术可实现时分多路,充分利用信道容量,利用数
17、字电视信号中行、场消隐时间,可实现文字多工广播(Teletext) 压缩后的数字电视信号经数字调制后,可进行开路广播,在设计的服务区内(地面广播),观众将以极大的概率实现“无差错接收“(发“0“收“0“,发“ l“收“l“),收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。,数字电视技术的特点,8. 在同步转移模式(STM)的通信网络中,可实现多种业务的“动态组合“(dynamic combination)。 9. 可以合理地利用各种类型的频谱资源。 10.很容易实现加密解密和加扰解扰技术,便于专业应用(包括军用)以及广播应用(特别是开展各类收费业务)。 11.具有可扩展性、可分级性和互操作性,
18、便于在各类通信信道特别是异步转移模式(ATM)的网络中传输,也便于与计算机网络联通。 12.可以与计算机“融合“而构成一类多媒体计算机系统,成为未来“国家信息基础设施“(NII)的重要组成部分。,数字电视概述 数字串行视频信号的主要标准 数字信号的接口标准 数字音频() 辅助数据(嵌入音频) 数字信号切换 数字系统检测 数字视频系统设计,数字信号编码,电视三基色、信号是摄像机对光信号进行光电转换,并进行一系列处理后得到的。为了节省带宽,利用人眼对色信号不敏感的特点,将三基色信号经矩阵电路变换,得到一个亮度信号和两个色差信号(、),现存的复合模拟、模拟分量、复合数字、数字分量等信号格式见左图。,
19、数字信号编码,1、-.(建议书)提供数字信号编码参数。 考虑到/系统和/系统的通用性,取样频率:.、:.,因此,每行的取样数为: 系统:个像素行 系统:个像素行 每行的有效取样数(正程取样数)均为:个;、:个。取样结构为正交结构,按行、场和帧重复,每行中和的取样点与的奇数样点重合。对亮度与色度信号均为线性量化,每个取样值或比特量化,黑电平对应亮度级,白峰值电平对应于来年规划级,对色度信号,零信号电平对应于量化级。 根据建议,串行数码率为:/,数字信号编码,2、对复合模拟信号,同样根据奈奎斯特定律,取样频率为: 制信号:. 制信号:. 若比特量化,进行串行传输时数码率分别为:和。、数字录像机采用
20、此标准。,数字电视概述 数字串行视频信号的主要标准 数字信号的接口标准 数字音频() 辅助数据(嵌入音频) 数字信号切换 数字系统检测 数字视频系统设计,数字信号的接口标准 ITU-RBT.656数字分量的接口 SMPTE259M串行数字接口,-.数字分量的接口,这是适合于的硬件接口,包括三个部分: 1、两种接口通用的信号格式 视频数据字按下列次序以/多工传送:,等。数字行正程从模拟的行同步前沿后个字(燉系统)或个字(燉系统)开始,其时间是指半幅度点。在视频数据块的开始(正程视频开始)和终了(正程视频终了)有两个定时基准码,每个定时基准码由个字组成:、,前个字是固定的,中包含有场识别、场消隐和
21、行消隐的信息,对于在消隐期以/的速率同步插入的附加数据的多工方式也作了规定,每个附加数据块由定时基准码和一个数据段构成。 2、比特并行部分 视频信号数字编码字的各比特用对导线并行传送,第对线用来传送的同步时钟信号,视频数据以不归零码、数据块的形式实时地传送,每个数据块对应一个电视行正程。连接口为芯型插头,平衡传送,信号幅度为,阻抗。 3、比特串行部分 多工数据流以比特串行方式在一个通道上传送。将比特数据字编码成比特传送,低位在先,不归零编码,介质为同轴电缆,阻抗为。,串行数字接口,数字音频V:有效性U:用户位C:通道状态数据P:副帧极性Z:数据块第0帧同步字X:除第0帧外副帧A同步字Y:副帧B
22、同步字DID:数据包类型DBN:数据包记数DC:数据包中数据总和 定义了一个可兼容比特或比特量化视频、并可加入辅助数据(如数字音频)、在同轴电缆上实时传输的一个/数据流。 -中的比特并行数据,经扰码编码后变换到,形成串行数据流,这就是我们所熟悉的接口。视频信号可以是复合的,也可以是分量的,但通常情况下说的是指串行数字分量接口。提出传输的主要指标如下: 数据流电平峰-峰值:,上升、下降时间:,抖动,过冲:。对:数字分量,数码率为/,所以抖动应小于。,数字电视概述 数字串行视频信号的主要标准 数字信号的接口标准 数字音频() 辅助数据(嵌入音频) 数字信号切换 数字系统检测 数字视频系统设计,数字
23、音频(),年,音频工程师协会()和欧洲广播联盟()共同制定了数字音频的标准,规定音频信号取样频率范围为(多数情况下是以取样)、量化、双相位编码、一个数字音频通道同时传输两路音频,可以是立体声对,也可以是独立的两个通道,可以在屏蔽双绞线或同轴电缆上传输。信号以音频数据块传输,一个数据块包含个帧、每个帧由两个副帧组成,每个副帧分别为。,数字电视概述 数字串行视频信号的主要标准 数字信号的接口标准 数字音频() 辅助数据(嵌入音频) 数字信号切换 数字系统检测 数字视频系统设计,辅助数据(嵌入音频),在/数据流中,对/系统,每行有个取样点,有效像素点为个,去掉、个字,还有个字可以用于辅助数据的传输,
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