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第十四章 电视新技术展望. 14.1 数字电视 14.2 高清晰度电视 14.3 立体电视. 14.1 数字电视. 一、 数字电视基础
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第十四章 电视新技术展望 14.1 数字电视 14.2 高清晰度电视 14.3 立体电视
14.1 数字电视 • 一、 数字电视基础 • 模拟电视是将图像的亮度和彩色变化用电量的参数变化来模拟, 所以它对通道?有很高的要求。 数字电视则是以离散性而不是以连续性为主要特征, 其数字信?号是按一定方式编码的高速窄脉冲序列, 如让它通过一个脉冲判别电路, 就能?“中继再生”出一组无失真无干扰的数字信号, 原来信号引入的畸变和噪声的?影响不但没有累积效应, 而且还具有很强的抗干扰能力。 另外数字信号处理和存储?灵活多变, 调节简单, 通道利用率高, 易于实现自动化。
1.视频A/D转换与D/A转换 • 数字电视设备的简化框图如图14-1所示。 • 输入的视频模拟信号由A/D转换器转换成数字形式, 经过特定的数字处理后, 再由D/A转换器转换成视频模拟信号输出。 • 视频A/D转换器又称编码器, 它是将视频模拟信号经过取样、量化、编码三个环节的操作转换成等幅脉冲序列的数字信号。这一过程称为脉冲编码调制(PCM), 如图14-2所示。
从本质上讲, 脉码调制也是一种频谱变换。 如对具有0～fm带宽的原始信号基带, 以fs频率对其进行幅度取样, 相当于基带对fs及其各次谐波进行调幅, 形成许多间隔为fs的双边带信号, 其频谱分布如图14-3所示。 图 14-1 数字电视设备简化框图
如在接收端用一个低通滤波器将0～fm的基带分离出来, 那么在恢复的信号中就不会引入失真。 满足这一要求的条件是根据奈奎斯特(Nyquist)准则使fs≥2fm, 这时基带和fs的下边带不会发生重叠。 若fs＜2 fm, 则下边带将和基带的高端重叠, 产生频谱混淆, 并引起相互串扰, 用低频滤波器无法将基带信号干净地分离出来, 从而使信号发生失真。 另外由于接收端的低通滤波器并不具有理想矩形的频率响应特性而按有限坡度衰减, 因此要想彻底干净地分离基带信号, fs也应大于2fm。 对彩色电视信号取样还必须考虑彩色副载波的存在, 因为取样频率和彩色副载波的差拍形成的网纹干扰会使图像质量受到影响, 所以取样频率通常选为彩色副载波的整数倍。 对PAL制, fs=4×4.438 6=17.73 MHz。
视频D/A转换器又称解码器, 它是将数字信号还原成视频模拟信号, 是对脉码调制信号的解调, 是视频A/D转换的逆过程。 • 2.数字处理器 • 数字处理器也就是视频数字处理单元, 其中较重要的有: • (1) 数字存储器。 数字存储器除用来存储数字电视信号外, 还用来存储控制程序和控制数据。 其中包括同一行像素之间的处理要用数字寄存器, 行间、 场间和帧间的处理要用RAM。
(2) 数字滤波器。 数字滤波器用来进行信号的频域处理, 如亮色分离、 色度崐解码、 信号内插、 轮廓增强、 噪声抑制和码率变换等。 它可以实现用模拟滤波器难于达到的滤波性能, 并具有良好的线性相位特性和高速实时处理能力, 如线性相位的横向数字滤波器对信号水平和垂直两方向都能进行高频补偿, 即二维轮廓增强处理, 可使图像质量大为提高。
二、 数字电视接收机 • 数字电视接收机是指在与现行广播电视体制兼容的前提下, 将经过图像检波的视频基带信号和经过伴音鉴频的音频基带信号进行数字处理并数字化、 其它部分也尽量采用数字技术的电视接收机。 数字电视在采用数字处理技术、 数字滤波技术、 数字存储技术后可以在目前的制式内或者在对目前制式稍作修改的改进制式内能提高图像质量, 增加显示效果, 扩大接收功能, 提高接收机工作的稳定性和可靠性, 甚至在某些方面可以接近高清晰度电视的水平。
数字电视机的基本原理方框图如图14-4所示。 它应包括八片DIGIT—2000系列超大规模集成电路: 图 14-4 数字电视机基本方框图
(1) 视频编解码器VCU2100, 其中包括编码器、 解码器,合称编解码器。 由图像检波器得到的视频全电视信号送到此, 经其中视频A/D转换成数字信号后送到视频处理器 • (2) 视频处理器VPU2200, 经过它处理的亮度及色度信号又回送到视频编解码器中的视频D/A转换部分, 转换成模拟R、 G、 B信号去驱动视放末级。 • (3) 偏转处理器DPU2500, 由它输出的行场偏转电压分别去驱动行场偏转的输出级。
(4) 音频A/D转换器ADC2300, 伴音解调后的两路音频信号送到此转换成数字信号。 • (5) 音频处理器APU2400, 由它对音频数字信号进行各种处理, 然后转换为两路音频模拟信号去驱动音频功放级。 它能处理单声道、 双伴音和立体声等制式的声音信号。 • (6) 由中央控制器CCU2000、 可编程只读存储器MDA2061以及时钟发生器MCU2600, 组成电路的中心控制部分, 处理由本机键盘输入的或红外遥控接收的各种操作命令, 给出高频调谐器的各种控制信号实现选台及频道预约, 通过专用的IM总线将各种控制数据及测量数据在中央控制器及各数字集成电路之间传输交换, 完成对整机的控制功能。
数字电视已经给广播电视带来了巨大的变化, 就连高清晰度电视也是利用数字电视技术发展起来的。 数字电视性能的提高和功能的扩展给其应用开拓了广阔的前景, 用户不仅可以根据自己的需要对电视画面进行各种变换的选择, 而且可以将数字电视同外部媒介、 各种信号源如录像机、 摄像机、 视频唱盘机、 卫星电视接收附加器、 乃至个人计算机、 电子游戏机、 视频数据检索器以及综合数字传输网络相联结, 成为个人、 家庭、 机关或办公室的信息显示终端, 以适应现代社会的需要。
14.2 高清晰度电视 • 一、 高清晰度电视的特点与分类 • 高清晰度彩色电视是一种使图像信息达到高保真度的电视接收系统, 按照国际无线电咨询委员会(CCIR)为HDTV规定的定义: “观看距离约为屏面高度三倍时, 该系统能使显像效果实际上等于或接近于由视力正常的观众观看原始景物或表演时取得的印象”。
一、 高清晰度电视的特点与分类 • 高清晰度彩色电视是一种使图像信息达到高保真度的电视接收系统, 按照国际无线电咨询委员会(CCIR)为HDTV规定的定义: “观看距离约为屏面高度三倍时, 该系统能使显像效果实际上等于或接近于由视力正常的观众观看原始景物或表演时取得的印象”。 • 1.HDTV特点 • 以目前的HDTV与现行TV相比就可看出它的特点, 不仅其图像分辨力大为提高, 而且水平视角范围也从现行TV的10°扩展到30°, 图像因而富有临场感和逼真感。 见表14-1。
2. HDTV分类 • 近十几年来国际上HDTV已从理论研究转入实用阶段。 日本广播协会(NHK)、 美国电子工业学会(EIA)、 美国电影电视工程师学会(SMPTE)以及英国广播公司(BBC)等都作了大量研究, 从人的视觉系统出发, 探讨并试验了HDTV的各种制式、标准信号及传输方式, 并制造了各种HDTV的设备。由于研究的出发点、 方式方法之不同, 在国际上对于HDTV标准、 兼容与非兼容、 模拟方式与数字方式、50Hz场频与60 Hz场频等均存在 • 着不同的意见。
HDTV按照制式可分为非兼容式与兼容式两类: • (1) 非兼容式。 以日本为代表的“全新派”认为HDTV应是一个全新的系统, 而现有的电视制式是在30多年前的技术水平上制定的, 表现能力受到极大的限制, 也只能作点电视技术延长线上的某些改善, 技术发展已达到极限, 主张要进行“彻底改革”, 研制和应用非兼容性HDTV。 显而易见, 这种撇开现行电视制式的做法, 不但使发送和接收装置完全不同, 而且从摄像机到显像装置的整个系统也全无相容性, 从目前来看尚无这种可能。 可是日本也从未放弃过兼容式HDTV的研究开发, 而且达到商品化的已有数种之多。
(2) 兼容式。以美国和西欧为代表的“改良派”认为HDTV应能与现行电视制式相兼容 , 不赞成废弃迄今为止采用的所有电视接收机和演播设备, 主张当今电视系统还没有提供出现有制式可能达到的最佳图像质量, 要充分利用新技术改善现有制式, 以“渐近改革”获得最好效果。 • HDTV按照档次可分为低、 中、 高三个档次: • (1) 低档次HDTV。 其中有日本的改善清晰度电视(IDTV)、 扩展清晰度电视 (EDTV)和西欧的多路复用模拟分量制电视(MAC)。 它们的共同特点是采取滤波、非隔行扫描和消除重影等技术来取得图像质量的改善和扩展, 并和现行电视制式兼容。 其中MAC制与中国PAL制兼容。
(2) 中档次HDTV。其中有日本的多重准奈奎斯特取样编码电视(MUSE)、 增加清晰度电视(ADTV), 美国的增进兼容电视(ACTV)和西欧的高清晰度多路复用模拟分量制电视(HD-MAC)。 ADTV是MUSE的一个分支, ACTV是EDTV的第二代。它崐们的共同特点是图像质量比低档次有所提高, 直接或通过一个小型转换器与现行制式兼容。 可与35 mm彩色电影相媲美。 • (3) 高档次HDTV。 其中有正在开发的特高清晰度电视(UDTV)和超高清晰度电视(SDTV), 它们的垂直和水平清晰度分别为常规电视系统的4倍及8倍, 能提供更丰富的视听信息, 可与70 mm电影一样。 它们都为非兼容性电视。
二、 高清晰度电视接收系统介绍 • 现将日本NHK技术研究所研制的MUSE制HDTV(或称Hi-Vision)为例加以介绍。 • 1. MUSE制HDTV取样原理 • 由于HDTV的信息量是现行TV的5倍, 不用说标准带宽30 MHz的HDTV信号, 即使带宽为21 MHz的HDTV信号, 因要占用多个频道, 不仅地面播放不容易, 就是卫星.
广播也难以实现, 如不进行频带压缩, 难度很大。 为此MUSE系统采用时间压缩合成(TCI)技术, 将HDTV基带信号由21 MHz压缩到8.1 MHz。其取样原理如图14-5所示。 • 在发射机中基带信号已经压缩, 将原来每场画面所包含的像素按1/4间隔取样传送, 即分成四场传送, 第五场又重复进行。 在接收机中首先将接收到四场像素, 在MUSE解码器中分别由存储器存储起来, 然后再合成一幅重现图像, 其中也有不被传送的像素, 它们由周围的像素插入, 以重现原始图像。
2. MUSE制HDTV接收机 • 由松下公司推出的这种TH-3LHDⅠ型机, 如图14-6所示。 图 14-6 MUSE制HDTV接收机原理
该机不仅能接收与现行制式兼容的HDTV信号, 而且还能接收和处理各种媒体(如陆基广播、卫星广播BSTV、有线广播CATV、录像机VTR以及视盘机LD)提供的现行制式电视信号。 • 由BS调谐器来的BSTV信号、 由UHF/VHF/CATV调谐器来的陆基TV和有线TV信号、 由外接VTR或LD的信号输入到NTSC切换电路, 并切换成主、 副(母、子)信号, 首先在ED/WD(纯视觉要素技术/扫描变换技术)变换器中进行图像信号的优化, 且利用三维分离技术, 将亮度信号Y和色度信号C彻底分离, 从而克服它们因分离不彻底而产生的互扰, 将隔行扫描变成逐行扫描, 以克服扫描行的闪烁现象, 提高垂直清晰度。以画中画和幅型变换(3∶4变换成9∶16), 再输出2倍基带信号, 然后经逆矩阵电路变换成R、G、 B信号, 输送到信号切换电路。
由BS调谐器另外接收到的卫星广播HDTV信号, 经检波后输出的第二中频信号和LD信号一起, 输入到MUSE切换电路, 在由50多块LSI组成的MUSE解码器中恢复为带宽为21 MHz的高清晰度基带信号。 • 对于输出三电平同步的亮度信号Y和两个色差信号PR、PB的外接基带信号源如HD-VTR等, 配备有同步分离和矩阵电路, 可将它们变换成R、G、B和行场同步信号HD、VD, 然后加到输出信号切换电路。 并由该电路输出行场同步信号去偏转电路, 实现行场扫描同步, 以确保图像稳定。
输出信号切换电路对来自上述三路三基色信号进行选择, 将其中一路送到视频信号处理电路, 进行孔阑校正, 亮度和对比度调整, 放大后推动高清晰度显示器, 即91 cm(36英寸)、 110°偏转角的大画面HD显像管, 其水平分辨率大于800线, 一字形阴极, 倒置阴罩, 辉度比普通显像管高。 • 由输出信号切换电路输出的伴音信号在声音控制电路中进行音调控制和均衡控制, 再经放大后推动3 -1方式立体声伴音系统的扬声器。 机内设左右高级流线型罩扬声器和中央扬声器, 外接两个环绕立体声扬声器。杜比环绕和AV环绕电路将使音质进一步提高。 5路伴音输 总功率达75 W。 全机共一百多块芯片。
纵观以上五彩缤纷的高清晰度电视系统各种方案, 考虑到我国经济水平以及国力有限, 目前以开发兼容性HDTV为好。 我国HDTV的研制工作虽然起步较晚, 但现在已达到实用阶段。 HDTV系统不仅为我们展示了新一代电视的新制式, 而且必将引起现有电视制式的技术革命, 成为未来电视系统的主流。
14.3 立体电视 • 一、 立体视觉的形成 • 立体电视是以人的双眼立体视觉机理研究为依据的。 图14-7为立体视觉形成示意图, 通过双眼水晶体和黄斑中心的左右视轴在水平方向上的间距叫目基, 大约为58～72 mm。 当双眼观察近距离景物时, 如景物处于S点位置, 左右视轴就在该处交叉会聚, 眼球就会通过不断改变水晶体曲率和瞳孔的大小来适应变化的景物。
正由于目基的存在, 左眼与右眼对同一景物的某一细节即位置、 角度等的观察点是不同的, 因此从微观角度来说, 景物细节的 图像在两眼视网膜上的投射点是不同的, 即观察到的是两个图像, 大脑通过眼球的运动, 调整综合这两幅图像的信息, 就会形成反映景深的立体视觉。 • 根据实测, 人眼视差检测极限约为5～10″角度, 若该值再小, 人眼就失去了视差感觉。 实验表明, 人眼有正常视差感的距离为250 m左右, 当视距超过此数值后, 不易判断景物的前后位置, 失去了立体感。 可见立体电视系统应是人眼双目视觉效应的直接模拟。
由经验得知, 人眼的立体视差不是绝对靠视觉, 一只眼睛同样能判断景物的深度和距离, 但主要靠光线明暗、 物体的相对尺寸、 清晰程度、 运动速度以及眼球的转动等来进行判断。 不过这是依据单眼继时视差原理构成的另一种立体电视系统了。 • 二、 立体电视 • 按立体电视系统的显示端所显示图像的性质可分为平面像显示系统、 类立体和立体像显示系统。
1.平面像显示系统 • 平面像显示系统是采用模拟人的双眼视差原理, 在显示端显示两幅具有双眼视差的平面图像, 使左眼和右眼分别看到相应的一幅平面视差图像, 利用眼睛的融合作用, 将两幅平面视差图像经过人脑视觉合成为立体图像。 其中可分为: • (1) 双目式立体电视系统。 这种系统是根据人的双眼视差形成立体视觉的原理, 利用电视技术模拟双眼视差功能而完成的。 该系统经过视差图像产生—分离—合成三个环节。对它的研制最早, 技术比较成熟, 有的可达到实用化。 包括如下几种型式。
①分色式。 在两个稍微分开的摄像机镜头上, 分别加上不同波长的滤色镜: 一个加红滤色镜, 输出红色电信号 一个加绿滤色镜, 输出绿色电信号。 两个信号经过混合编码处理, 并在同一通道传输, 最后送到普通彩色电视机接收。 观看图像时, 要戴左右有对应不同波长滤色镜片的特制眼镜, 使两眼看到的图像分别对应两个摄像机输出的电信号, 即一只眼睛看到的是红色图像, 另一支眼睛看到的是绿色图像, 且两个图像反映的景物方向是在稍微分开的两个位置上取得的, 经过大脑视觉合成就产生了立体感。 如图14-8所示。
另外, 分路式(采用两路传输通道)、 偏振光式(采用偏振片)、 缝隙板视差阻挡式(采用缝隙板)、 柱面透镜板式(采用透镜板)与分色式原理类似。 • ②时间分割式。 也可称为逐场轮流输出式, 用一个传输通道以场频或帧频轮流顺序地进行传送视差图像的左右图像信号。 观看图像时, 要戴与左右图像逐场同步的有电子快门的特别眼镜, 每秒钟只让左眼或右眼轮流各看30个画面, 观看者的大脑中便会出现一幅从两个不同角度看到的立体图像。 如图14-9。
(2) 多目式立体电视系统。 如果在水平面内增加摄像机数目、 增加摄像方向, 就可获得多对平面视差图像。 在接收端重现后, 观看者就可以从不同位置看见崐不同方向的立体景像。 显然它比双目式系统收视效果更好一些, 但投资昂贵。 其中有两种类型: 直视式和投影式。 • 2.类立体显示系统 • 这种系统是在发送端与现行电视制式兼容, 而在接收端增加一个附加装置对发送的二维平面图像进行某种技术处理, 使其产生立体感。 因为它没反映出原景物的深度, 所以称之为类立体电视。
类立体电视最简单方案是使左眼看到的红色图像信号延时0.6 μs, 而使右眼看到的是没有延时的青(绿加蓝)色图像信号, 两者重叠, 观看者会感到图像向屏幕内部延深而产生类似浮雕的立体感。 这种系统线路简单、 成本较低, 但立体感还不够逼真。
3.立体像显示系统 • (1) 变焦距反射镜立体电视系统。 系统的工作原理是在摄像端利用可变焦距反射镜的焦距变化将被摄景物空间在深度方向进行平面分割, 顺序摄取分割成数层的不同深度上的平面图像, 经过顺序传送后, 再依次成像在不同深度的位置上而形成空间像, 如图14-10所示。 VM1和VM2为两只相同的变焦反射镜。 它们是由在扬声器的前端装上一片反射镜面而构成的, 扬声器则由一低频正弦波电压激励。 该系统是一个结构复杂的光电结合系统。
图 14-10 变焦距反射镜立体电视系统及立体图像显示
(2) 全息立体电视系统。 • ①全息图的获得。 用同一束激光的一部分参考光波照射底板, 另一部分射向物体, 经物体表面漫反射成为物体光波也照射到底板, 两者在空间幅、 相干涉, 在底板上形成干涉条纹图形。 因为其中包含着物体光波幅、 相的全部信息, 所以称它为全息图。 底板曝光显影后, 仍用与先前的参考光波相同的光波在原来的方位照射底片, 虽然物体早已移去, 但观察者仍可以清晰地看到原来的物体在底板的背后出现, 呈现出真实的立体感。 如图14-11所示。
②全息立体电视。 全息立体电视是利用电视技术摄取、 传送和显示全息图来重现空间三维立体像的。 在发送端只要用激光照射运动的物体, 将它的一幅幅画面信息从等时间隔的各个时刻取出并数字化存储, 则每幅画面的物体光波可认为是静止物体发出的漫反射光波, 然后分别与参考光波相干涉, 将它们顺序地以足够高的速度通过, 并用先前的参考光波照射, 用穿透式全息摄像管靶面代替底板, 将物体的全息图形成其上, 然后通过摄像机扫描将全息图变为视频信号进行传送。 在接收端显示所传送的全息图并用参考光波照射即可重现被摄物体的空间像。 如图14-12所示。
立体电视是电视技术长期追求的目标。 不用附加设备、 完全理想的立体电视, 即只改变观看方向就能看到景物不同侧面的真正立体电视, 在现行电视系统中实现尚有很大困难。 但是随着高清晰度电视的迅速发展和无荧屏电视(VRD或称虚视网膜显示器, 它既不是全息图像也不是放映式反射, 而是利用激光扫描, 把图像直接形成在人体眼球的视网膜上, 视网膜将三维图像传入大脑, 获得立体感)的崛起, 已经为立体电视的发展提供了极好的基础。
未来的电视发展方向, 将是智能控制型、大屏幕平板式、高像质数字式、 环绕多声道保真立体声、 多功能综合的立体电视接收系统。
