电视原理学习笔记：电视扫描原理——电视传像、逐行扫描、隔行扫描

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电视传像的基本原理

利用人眼的视觉惰性，在发送端可以将代表图像中像素的物理量按一定顺序一个一个地传送，而在接收端再按同样的规律重显原图像。只要这种顺序进行的足够快，人眼就会感觉图像上在同时发亮。在电视技术中，将这种传送图像的既定规律称为扫描。电视图像的摄取与重现实质上是一种光电转换过程，它分别是由摄像管和显像管来完成的。

摄像管和显像管都有水平和垂直两组偏转线圈，在有锯齿波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，也将分别产生水平方向和垂直方向的扫描运动。当没有磁场时，电子束将打在荧光屏正中的点。

如下图摄像端光电转化所示，当景物经镜头聚焦在光敏靶上，单元电阻因受到光照照射而变小，电容将放掉一些电荷，光越强，放掉的电荷越多，下一次电子束扫描时会重新充满电，因此受到光照射越强的单元靶，充电时电流越大，即流过负载R的电流越大，输出电信号的电压越低（负极性图像信号，正极性图像信号：光越强，电压越高）。因此电子束对光敏靶的扫描就可以将图像各像素（一个单元靶相当于一个像素）光信息转换成随时间变化的电信号（图像信号）。

逐行扫描原理

逐行扫描(Progressive,P)：在图像上从上到下一行紧跟一行的扫描方式。

隔行扫描

产生原因：假设一帧的有效扫描行数为 600（即垂直方向有 600个像素),考虑到画面的宽高比为4：3，则水平方向合理的像素数应 为 600x 4/3=800,这样，一帧的总像素为 480 000个。如果1s传送50帧，则1s扫描的像素为 x50。在忽略水平、垂直扫描逆程的情况下,扫描两个像素的时间为2×1/(×50)s=1/12us,所以最高频率（即图像信号的带宽）为12 MHz。 如果考虑扫描逆程,逆程占去了一定的时间，使扫描两个像素的时间变短，图像信号的最高频率变得更高。显然，为达到人眼对图像分解力和画面不闪烁的要求,采用逐行扫描是不合适的，因为它得到的图像信号带宽太宽。在不降低图像分解力的前提下，要减小图像信号的带宽，唯一可行的方式就是隔行扫描。

隔行扫描（Interlace，I）:将一帧画面从上到下分两场进行扫描。

1. 下一帧扫描起点与上一帧起点相同，以保证各帧扫描光栅重迭；
2. 相邻两场扫描光栅必须均匀镶嵌，以获得最高清晰度。

由1，每帧扫描行数必须为整数，或相邻两场行数之和为一整数；由2，而各场扫描电流又都是一样，则每场均须包含半行，每帧应包含奇数行。这时，两场扫描的起始点不相重合，但两场光栅却能均匀镶嵌。

我国电视标准规定，每秒传送25帧，每帧图像为625行，每场扫描312.5行，每秒扫描50场。场频为50Hz，不会有闪烁现象，一帧由两场复合而成，每帧画面仍为625行，图像清晰度没有降低，而频带却压缩了一半。所以说，为什么要采用隔行扫描，简单地说，就是为了压缩光电转换后所产生的视频信号的频带。

逐行扫描和隔行扫描的优缺点

隔行扫描技术既保证了图像的清晰度，又压缩信号频带宽度。仿照电影胶片中一幅画格图像在银幕上曝光两次可以节省一半胶片而不影响银幕画面质量的作法，电视中采用一帧图像隔行后分两场顺序传输，可以压缩一半频带而不明显降低图像质量，隔行扫描可以减少视频信号的频带。在电视技术的早期，不论是有线传输还是无线传输，信道带宽减少了，系统的经济性是显而易见的；在电视广播中也大大节省了频谱资源，然而，随着人们对图像质量的要求越来越高，它的缺点也越来越明显了。

1、行间闪烁效应。人们对图像的亮度的要求越来越高，但由于屏幕上空间同一行的重复频率是25Hz，因此当垂直方向出现高亮细节图像（例如，高空间频率的水平黑白条，或者带有横笔的字符）时，行间闪烁明显，长时间观看，眼睛易产生疲劳。

2、并行引起垂直分解力下降。由于显像管的隔行扫描不但要使行频、场频保持严格的关系，而且还要使偏转电流和磁场要有良好的线性，否则两场光栅不能均匀镶嵌，导致两相邻场的水平扫描线部分重叠，称为并行。即使发送端传输的是理想的隔行扫描视频信号，收端在显示时也会由于并行丢失垂直方向细节信息。

3、动态垂直分解力降低，平移运动的物体的图像质量下降。当物体在垂直方向平移时，由于运动方向跟踪电子束扫描方向，使得图像垂直分解力下降，这种运动图像细节的丢失在发送端就产生了。如果运动的物体在CCD光敏区的图像刚好是一场下移一行的距离，则垂直分解力下降到物体静止时的1/2。当物体水平方向平移时，物体的垂直边缘对应屏幕上的图像是左右“扭动”的垂直轮廊。这是因为空间上两场光栅的均匀镶嵌在时间上相隔了一场（20ms），使垂直边缘产生了水平位移。当场景中存在连续的垂直边缘细节时，图像将产生边缘闪烁。显像管的尺寸越来越大，亮度越来越高，这种隔行缺陷所引起的视觉效果越来越明显。

4、隔行扫描产生的视频信号对于压缩处理和后期视频制作带来了困难。由于数字化处理要利用视频信号的相关性，图像的空间相邻两行在时间上是相邻两场，因此，要有场存储器才能实现运算。若是逐行扫描，则只需一个行存储器即可。又如，在彩色电视制式变换、扫描制式变换中都会使信号处理变得更为复杂。

隔多行扫描虽然能压缩更多的频带，但它引起的上述现象更为严重，因此，各国的广播电视标准毫无例外地采用隔行扫描，而不用隔多行扫描。消除隔行扫描的缺陷是HDTV的一项重要任务。为此，在发送端已经研制了高清晰度的1080P逐行扫描CCD彩色摄像机。节目源使用逐行扫描技术从根本上消除了隔行扫描的缺陷。

技术的进步和用户要求的提高使得电视领域中的逐行扫描与隔行扫描又重新成为热门话题，并引起了人们的浓厚的兴趣。许多学者、电脑制造商、广播机构以及视频产品制造商从图像质量、价格、兼容性及在多媒体领域中的可扩展性等方面重新评估逐行扫描，并指出了其良好的发展前景。

1、逐行扫描产生的视频信号使得图像修复或重建变得容易，而且可与现有软、硬件兼容。由于电视图像的多功能化，图像的容易处理变得十分重要。

2、计算机的终端显示的用户观察距离近，屏幕占据的视场大，采用逐行扫描显示可以减少屏幕大面积闪烁和边缘闪烁，不易使眼睛疲劳。由于计算机终端显示器不受频带限制，视频信号的带宽宽，故屏幕上的字符更清晰。

3、有源矩阵液晶显示器必须采用逐行扫描，以得到良好的运动再现和高亮度。无源矩阵显示也采用倍速逐行扫描方式以提高垂直分解力。

4、DVD信号处理中不受频带限制，从光盘读出的隔行扫描信号通过信号处理技术，变成逐行扫描信号再显示。

5、在HDTV的研究中，消除隔行扫描缺陷是重要目标之一。大联盟HDTV制式(ATSC)中提供了多种扫描格式：1920*1125 隔行扫描，1920×1125逐行扫描，1280×720逐行扫描等。

参考