1.3 黑白图像的传输和显示

在电视广播中，要传送的是图像和伴音，其中伴音的传送相当于调频无线电广播，本节主要介绍图像传送原理。

图1-8所给出的一幅黑白图像是一个小女孩的头像和照相机。人眼之所以能看到此图像，是由于画面上的亮暗不同，有的地方是白的比较亮，有的地方是灰色的较暗，有的地方是黑的最黑。可见只要把一幅图像按它的亮暗程度变成不同强弱的电信号，将此信号经调制发送出去，接收端再把收到的电信号恢复成亮暗不同的图像即可完成图像的传输。实际上图像的传输是光（亮度）—电—光（亮度）的变换过程。

1.3.1 图像的分解与合成

怎样才能将一幅图像变成电信号呢？要实现光电的转换，人们自然会想到光电管。然而当景物通过镜头照射在光电管上面时，只能得到一个反映图像平均亮度随时间变化的电信号，并不能反映出图像上各点亮度随时间的变化。这就需要从图像的结构特点出发，寻求传送图像的方法。

任何一幅图片都是由许多密集的细小点子组成，如照片、图画、报纸上的画面等用放大镜仔细观察，就会发现它们都是由许许多多紧密相邻、亮暗不同的细小点子组成的，如图1-9所示。这些细小的点子是构成一幅图像的基本单元，称为像素。显然图像单位面积内包含的像素越多，图像就越细腻、越清晰。以图1-8为例，将它划分为许多小方格，若每一格为一个像素，则这一方格的平均亮度就代表了这一小块面积的亮度，可见小格子划分得越细，每格的平均亮度越接近于实际情况，则图像的轮廓越清楚。人眼的分辨力是有限的（当人眼看图像上两点构成的视角小于1′ 时，已不能将这两点分开来了），在正常观看距离下，一幅画面若能包含大约40万个像素，其清晰度即可达到满意的效果。高清电视的满屏像素很高，一般为300万左右。

传送图像，就是要把图像上各点的亮暗差异传送出去。既然图像可以分解为像素，那么，传送图像就可以通过传送组成它的像素来实现。即在发送端，先将图像分解为几十万个像素，并把这些像素按各自的亮暗程度转换成相应的电信号传送出去，在接收端则按与发送端完全相同的规律，把这些电信号还原为相应的像素，从而把分解了的像素加以组合重显出原图像。电视图像信号的发送与接收，正是通过这种对图像的分解与合成来实现的。

1.3.2 图像顺序传送原理

把图像分解成像素后，怎样传送这些像素呢？如果同时把这些明暗不同的像素变成强弱不同的电信号，又采用不同的传输信道同时把这些电信号发送出去，在接收端再把收到的电信号同时转变成明暗不同的亮点，并严格的按原来的次序排列起来，原则上就可以重现发送端所拍摄的景物。但是，一幅图像分解为几十万个像素，若同时传送每个像素，则需要几十万个传输信道，发送与接收设备将相当复杂，这显然是不经济也难于实现的。

在实际的电视广播中采用的是顺序传送，即把被传送的一幅图像分解并转换成 40 多万个像素的电信号，用同一个传输通道，按照从左到右、从上到下（像读书写字一样）的顺序一个一个地传送，在接收端则按照同样的规律依次将这些电信号还原成像素重现出来，如图 1-10 所示。只要这种顺序传送进行得足够快，由于人眼的视觉暂留现象和荧光屏发光材料的余辉特性，就会使人们的眼睛感到整幅图像同时发光而没有顺序传送的感觉。

这种把图像转换为顺序传送的电信号或把顺序传送的电信号还原为图像的过程称为扫描。在图1-10中为了说明问题采用模拟的机械扫描装置。当开关K1、K2接通某个像素时，此像素就被发送和接收。在这里要求 K1、K2的转换速度足够快且相同，接通的像素要一一对应，即要求迅速而准确，收发两端每个像素的几何位置要一一对应，这种工作方式称为收发两端同步工作，简称同步。如果此要求不能满足，接收端画面的每一行或每一个像素相对于发送端画面发生了错位，产生不同步，则重现的画面将发生畸变乃至什么也分辨不出来。可见，同步是电视系统中一个非常基本而重要的问题。在实际的电视传输系统中，一般均采用电子扫描设备，通过电子扫描与光电转换，就可以把反映一幅图像亮度的空间、时间函数变为用时间函数表示的电信号，从而实现了图像的顺序传送。

1.3.3 光电转换原理

1．光、电转换——图像信号的摄取

传送图像首先要将光图像上各个像素的亮暗转换成相应的电信号，这种转换利用的是光电效应。实现图像光电转换的器件是电视摄像管。目前常用的摄像管是光电导摄像管，其结构示意图如图1-11所示。

光电导摄像管的主要组成部分是光敏靶和电子枪。

光敏靶是由光敏半导体材料制成的，这种材料具有在光作用下电导率增加的特性。被摄景物通过摄像机光学系统在摄像管的光敏靶上成像。当投射在光敏靶上的影像各点光照强弱不同时，则各点呈现不同的电阻，亮像素对应的靶点电阻小，暗像素对应的靶点电阻大，于是，实际图像上各像素点的不同亮度就转换成了靶面上各点电阻大小的不同，也就是将实际的“光图像”转换成了靶面上的“电图像”，实现了光电的转换。

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极等组成。当各电极施加正常工作电压时，通过灯丝加热阴极，阴极便发射电子，这些电子在管内各电极所产生的电场和管外聚焦线圈所产生的磁场的作用下，以高速和聚焦状态射向靶面，并在偏转线圈磁场作用下按一定规律扫描靶上各点。当电子束接触到靶面上某点，就使该点与接地的阴极接通（相当于图1-10中开关K1的接通），并与信号板、负载电阻RL、电源E构成一个回路，在负载电阻RL中有电流流过，而电流的大小取决于光敏靶该点电导的大小。负载电阻RL形成了随像素亮暗变化的电压，随着电子束一遍遍地扫描，就在负载电阻上得到一幅幅图像的电压信号，称为电视图像信号或视频图像信号，如图1-12所示。

为了加深对图像信号的认识，请看以下具体例子。假设被拍摄的景物是在白色背景上的一个较暗的山字，如图 1-13（a）所示。为了简化，我们把整个画面分成九行，每行十二个像素，一共 108 个像素。这时在摄像机某点所取得的图像信号将如图 1-13（b）所示，在图中第1、9行是亮画面，故信号为高电平；第2、3、4行，当电子束扫过a、b、c、d、e各像素时，画面较亮，所以输出电平较高，当扫过f、g时，由于画面较暗，所以输出电平减小，以此类推就可以得到如图所示的各行输出电平。可见图像信号就是一些高低不同的电平，它表示图像的不同亮度。至于图像是不规则的，则图像信号也是不规则的高低电平。

将以上图像信号放大，再去调制载波，并发送出去，就完成了图像的传输。

2．电光转换——图像的重现

由光电转换得到的代表实际景像的电信号，经加工、处理、传输之后，在接收端必须经过相反的转换过程即电光转换，将电信号转换成反映实际景像的光信号，才能得到“重现”的图像，这一任务主要由电视接收机中的显像管来完成。

显像管是利用荧光效应原理制成的。显像管与摄像管一样也是一种电真空器件，它的简单结构如图1-14所示（详细结构原理及特性将在后面作介绍）。它的主要组成部分是电子枪和荧光屏。由电子枪的阴极（用K表示）所发射的电子束，经聚焦后在高压加速电场作用下，以很高的速度轰击荧光屏。荧光屏上涂有一层荧光粉，它在高速电子轰击下发光，此时在荧光屏上将出现一个亮点。在其他条件一定的前提下，荧光屏发光强度即亮点的亮暗程度正比于阴极发射的电子束电流的强度。这里应明确的是，此时荧光屏上只是中央一个亮点，其余地方全部是暗的，因此无法显示图像。为了显示一幅图像，必须让电子束不是落在荧光屏的一个点上，而是轮流打在屏幕的所有点上，使它们都发光，即形成光栅，如图1-15所示。只要利用下一节所介绍的电子扫描原理是十分容易实现的。

在显像管的屏幕上出现的光栅并不等于图像，但是它给图像的重现奠定了基础。由于光栅是由电子束一点一点打出来的，每一点的亮暗程度与电子枪阴极发射的电子束电流的强度有关，若能控制电子束电流的强度使它有时强，有时弱，则可以使荧光屏上得到明暗不同的亮点。发射台是把一幅图像按它的亮暗程度变成的电信号送出来的，在接收端最后送给显像管的就是这种电信号，若能用它来控制显像管阴极的电子束电流的强弱，且让显像管的扫描与发送端保持同步，即可在显像管荧光屏上显现原发送端的图像。

在显像管中，要实现对电子束电流强弱的控制是很容易的，为此在发射电子的阴极后面加一个电极——栅极（用G表示），如图1-16所示。静态时，栅极对阴极的电压是负的，用UGK表示，此负电压越大（指绝对值），由阴极发射出来的电子数目越少，电子束电流越弱，荧光屏上的亮度就越暗；反之则越亮。因此把G叫做控制栅极，用收到的图像信号控制栅阴之间的电压，就可以使电子束流的强弱随图像信号的大小而变。

在实际电路中，栅阴之间的控制电压的加入如图1-16所示。一般让显像管栅极接地，直流电压 E 通过电位器 W 给阴极加一直流正电压，即保证栅阴之间的电压是负值，这就是静态直流电压，相当于晶体管三极管的静态直流偏压。当没有外加信号时，屏幕有一定亮度，称为静态光栅（亮度）。若改变W的滑动头位置，整个光栅的亮暗将会随之改变，W就是电视机的亮度调节旋钮。此外又通过耦合电容C给栅阴之间送入图像信号u，它是随发送端图像内容而变化的电信号，因此可以控制电子束电流的强弱，完成图像的重现。在这里电子束电流在进行扫描的同时又受到亮度控制，且扫描必须与发送端同步方能正确的重现发送端所拍摄的景物。

必须注意，如果把图1-13的图像信号送到图1-16电路的输入端，在荧光屏上重现的图像与原景物明暗是相反的。这是因为信号是加在显像管的阴极上所致，阴极的电位越高，栅极相对于阴极的电位就越低，荧光屏越暗。如果由摄像管输出的信号高电平对应于景物的亮画面，低电平对应暗画面，称为正极性信号（见图 1-13）。为了在荧光屏上重现原景物的图像，正极性的信号必须由栅极输入才行。但实际的电路往往由阴极送入图像信号，因此，必须将正极性的图像信号倒相，得到如图1-17所示的负极性信号。由于它的低电平对应了景物的亮画面，可使显像管的阴极电位下降，相对地提高了栅极电位，因而可以得到亮画面。

以上主要介绍的是静止图像的传送，那么对于活动图像，电视又是怎样传送图像的呢？

为了传送活动图像，电视广播采用了电影放映的原理，将活动的图像分解为一幅幅稍有差异的静止图像，并按顺序传送。电影中运动的图像是以每秒放映24幅不同的静止图像来实现的。实践表明：虽然人有视觉暂留特性，但对每秒只放映24幅图像时，仍会有明显的闪烁感。如果在放映每一幅静止图像中间，再进行一次遮光，这时，虽然投影在银幕上的图像内容仍是每秒24幅，但因遮光的关系，向观众却展现了48次。这时，由于人眼的视觉暂留特性，较快地闪烁反倒使人们感觉不到图像的闪烁了。我国电视中运动的图像是以每秒将 25幅（电视中一般把幅称做帧）图像转换为电信号，并且每帧图像又分成两场来转换实现的。这样，电视屏幕上的图像每秒将闪烁50次，从而消除了电视图像闪烁的主观感觉。所谓一帧图像分两场来传送，就是将每帧图像要扫描的625行，分为两场扫描和传送，即先把625行中全部奇数行组成的图像转换为电信号传送出去，即奇数场，然后再把偶数行组成的图像转换为电信号传送出去，即所谓偶数场。这种把一帧图像奇数场和偶数场来进行扫描和转换的方法称为“隔行扫描”。