电子影像的生成原理及特性

这些画面和电影的画面一样，也是所拍摄景物各个瞬间的影像，将这些顺序的依时间轴离散排列的瞬间影像再顺序同步地显示出来，即成为电子的活动影像——影像。...





我们知道电子影像构成的基本单元是像素，即一幅幅的画面是由一个个像素构成的。



这些画面和电影的画面一样，也是所拍摄景物各个瞬间的影像，将这些顺序的依时间轴离散排列的瞬间影像再顺序同步地显示出来，即成为电子的活动影像——影像。

由此可见，从利用人眼的视觉生理和心理规律形成活动影像的视觉效果这一机理上来说，电视影像和电影是完全相同的，它们都需要达到一定的画面显示频率，才能获得逼真的无闪烁且连续的活动影像。

但是，如果将每一幅影像都看成是由若干个像素组成的，则电影的每一画幅就是多像素同时获取、传送和显示的，观众是整幅整幅地观看的；而电视影像则是各像素依次单个获取（扫描）、传送，最后再顺序同步地进行显示的。



实验证明，当先后传递两个相邻光点的间隔为1秒时，人眼可以感觉出两个光点是分开的，无关联的；而相差为0.06秒时，就只会感觉到光点的方向性运动；而当小于0.03秒时，人眼则认为两个光点是同时到达的。因此，如果以≤0.03秒间隔的速度依次传送两个相邻像素的光、色信息，人眼就会感觉是有两个点同时形成了图像，进一步缩短时间，人眼就会认为某一行像素同时到达，从而形成一条扫描线。同理，当像素显示间隔继续缩短，人眼又会觉得各行是同时到达的。这样，人的视觉系统就会认为同时看到了整幅画面的信息。

此外，对于电子显示来说，比如说荧光屏，每个像素的显示时间还有一定延续，这就更增强了由顺序显示的单个像素形成整幅画面的效果。电子扫描就是这样一种可以完成以一定的时间顺序传送按空间分布的像素的方法，或者说通过扫描的方式，将图像的空间信息转换成了时间信息。



上图表示了这一转换的过程。来自被拍摄的景物的各种光谱分布的光射入镜头，镜头将其聚焦在感光器件（摄像管、CCD）上，感光器件通过光电转换，形成电位变化的电子影像。之后，对这些感光器件形成的电信号进行扫描，从而实现信号的拾取，同时，通过扫描将空间信息转换成了时间信息。之后，即可进行记录、处理和传送。在接收端，则是同步地将这些电信号按原来的顺序依次显示出来，恢复成与拍摄时光电转换相对应的一个个光点，从而形成与拍摄景物相类似的影像，供人观看。

彩色电子影像的形成，则需要通过三个感光器件来完成。分色棱镜首先从镜头射进的景物光信号中分离出红、绿、蓝信号。分光后的三种色信号由三个显像管分别摄取，并传送至发射端。在接收端，红、绿、蓝三个电信号分别控制电子束，在同一屏幕上显示出三原色的光点，而人眼看到的是混色的效果。

最初的电视是为了图像传输、广播以及家庭收看。由于广播时需占用无线带宽，而这是非常宝贵的公共资源，因此，在满足一定收看质量条件下限制信号带宽，是必须考虑的问题之一，加之当时的硬件技术水平和成本等因素，限制了电视图像的扫描行数等标准的制订，标准清晰度电视在演播室的图像清晰度约为400多线。显然，这样的图像无论在分辨率上还是在色域范围上，都是无法和电影影像相比的。

高清晰度电视HDTV的问世和发展，使电视的质量开始向电影画面的质量靠近。目前1080/24p数字高清的图像具有1920×1080像素，宽高比为16 ∶ 9，近似于电影遮幅格式。

在电子影像技术中，用于广播目的的我们通常称之为电视技术，除摄取和显示外，它还包括发射传播和接受技术；而用于非广播目的的，我们通称为视频技术。视频技术因为不受广播的带宽制约，在处理时可不受数据量的限制。当然，在现代数字压缩技术的应用条件下，即使电视技术中的带宽也无太大增加。

电子影像的扫描分为水平扫描和垂直扫描。电子束沿水平方向运动完成逐像素的扫描过程称之为水平扫描。由于水平扫描是从左至右一行一行进行的，所以通常也叫做行扫描。要将一幅画面的所有像素全部扫描完，不仅需要从左至右的行扫描，还需要从上至下的将每一行都扫到，也就是说还需要垂直扫描。电子束沿垂直方向运动完成扫描的过程，称作垂直扫描。

我们常见的扫描方式主要有两种，一种叫做逐行扫描，另一种叫做隔行扫描。如果一幅画面从上至下，一行行顺序扫描，则称作逐行扫描。而隔行扫描是将一帧电视图像分成两场进行扫描，使每一帧视频画面在显示端分两次显示，这样可以达到减少闪烁感，改善视觉效果同时减少载波带宽的目的。在隔行扫描方式下，先扫1、3、5、7、9等所有奇数行，再扫2、4、6、8、10等所有偶数行，每扫一遍，称作一场，一帧分为两场来拾取、传送和显示。因此，在垂直扫描中，对整幅图像进行的扫描叫做帧扫描，而按照隔行扫描的规律一场一场的扫描则叫做场扫描。在隔行扫描方式下，每次帧扫描由两次场扫描构成。


视频影像的特性

同作为影像，胶片影像的一些特性也适用于视频影像，但是由于两者构成的机理完全不同，因此视频影像还具有它独特的特性参数，即使与胶片影像相同的一些参数，其含义也不尽相同。

像素

电子影像技术中，组成图像的最基本的信息单元称作像素。任何复杂的图像，都可以看成是由若干个像素所组成。



扫描与扫描线数（扫描行数）

将图像或画面中像素的信息顺序、同步地拾取或再现的过程，称作扫描。电视扫描则是以一定的时间顺序，传送按空间分布的像素信息的过程。

电子束在一帧或一场画面中所扫过的行数称作扫描线数（行数）。显然，从电子影像画面的构成来看，扫描线数越多，影像就越清晰。但是，扫描线数越多，对设备的要求也就越高、越复杂，价格也就越高。因此，扫描线数以可满足观看效果为标准来确定。实验证明，此值可根据人眼的分辨极限、屏幕的高度和观看的距离来确定。在中等亮度（明视觉）和对比度的观看条件下，正常人眼的分辨角极限为1.5′，假设观看距离为L，屏幕的高度为H，人眼可分辨的行距限度为d，可知：d=Ltg1.5′



在此种情况下，人眼分辨不出行结构的扫描行数应当为：



按照制定电视标准时的技术水准，人们认为适宜在画面高度的4至7倍的距离上观看电视，如取4则可得：
Zd=2391×1/4=537线（行）

考虑到场逆程的非有效扫描行和隔行所带来的清晰度下降，最大扫描行数应该为：
Zmax=Zd/0.7=573/0.7≈819线（行）

如果采用819行扫描的话，根据计算，其传送带宽将达到10MHz。这样宽的频带对信道传送来讲是很不经济的。为了兼顾经济指标和清晰度，我国采用的标准是Z=625行，每秒25帧，50场；美国、日本等国为525行，每秒30帧，60场。

扫描正程和逆程

在对图像扫描时，通常把电子束从屏幕左边开始，沿水平方向向右扫描的过程称作行扫描正程，该过程所需时间叫做正程时间。电视图像只在正程中进行传递。我国电视扫描标准规定，行扫描正程时间为52μs。相对水平行扫描正程，有从上至下的垂直扫描正程，也叫做帧扫描正程。在隔行扫描时，一帧画面分为两场扫完，因此，垂直扫描又称作场扫描正程。我国电视扫描标准规定，场扫描正程时间为18.4ms。

电子束从右至左迅速返回扫描的过程叫做行扫描逆程，相应所需时间则叫做行逆程时间，也叫行回扫时间。

电子束自下而上的迅速回扫称作帧扫描逆程，隔行扫描时，则称作场扫描逆程。由于技术上的原因，在逆程中是不传送图像的。因此，它的时间要求短，行扫描逆程时间为12μs（太短则受技术上的限制），场扫描逆程时间为1600μs。

*μs=微秒，时间单位。一秒的一百万分之一,即1秒=10^ 6微秒。

消隐

扫描逆程中不传递图像信号，因此我们不希望它们出现在显示屏上。消去这些回扫线的过程叫做消隐。我国电视标准总扫描线数规定为625行，分为两场传送，每场为312.5行。其中回扫时间相当于25行的扫描时间，因此，每场有效传送行数只有287.5行（312.5－25=287.5行），而一帧图像的有效行则只有575行。
同步信号即在消隐期间传送。

帧频和场频

如前所述，在电视技术中，由像素构成的一幅画面称为一帧，一帧画面就相对于电影中的一格画面。单位时间所扫描、传递和接收的帧数称作帧频。频率的多少和电影画面的更换频率一样受到人眼的生理因素和人本身的心理因素的制约。根据视觉暂留原理，为了没有闪烁感，帧频不能少于48次每秒。这也就是说，如果结合人眼对分辨率的要求（假定以每帧500扫描线计算），良好的视觉效果应当是每秒拾取的信号为500×48行次，但这导致了传送信号的频带宽度过大的问题。同样因为带宽问题，摄像机不能很快将一帧图像中的第一行到第末行逐行传输出去（大多数摄像机都是采用行转移的方法），图像最后一行实际上发生在第一行传出之后很长的时间，结果会产生拖影现象。解决的办法只能是减少扫描行数，所以产生了隔行扫描的方法。一帧画面分为两遍拾取，每一遍称为一场。单位时间内，拾取、传递和接收的场数叫做场频。显然，在隔行扫描方式下场频为帧频的2倍。

由于在电视发明的初期，电子画面容易受到电网频率（交流电的变化频率）的干扰，为了消除频率差所带来的画面摆动现象，故采取了与其一致的帧频率和场频率。即我国为50场每秒（电网频率为50Hz），帧频则为25帧每秒；美国、日本等国为60场每秒（电网频率为60Hz），帧频为30帧每秒。在HD格式中，以场频计的标志为“i”，而以逐行计的则标志为“p”。

文章来源：图书-影视技术基础

    关注 雪线嘉禾