视频业务：电视系统原理及荧光粉发光机制

在现代通信技术中，视频信息主要是指活动或运动的图像信息，它由一系列周期呈现的画面所组成，每幅画面称为一帧，帧是构成视频信息的最基本单元。视频信息在现代通信系统所传输的信息中占有重要的地位，因为人类接收的信息约有70% 来自视觉，视频信息具有准确、直观、具体生动、高效、应用广泛、信息容量大等特点。

1.视频采集与视频信号

视频技术是利用光电和电光转换原理，将光学图像转换为电信号进行记录或远距离传输，然后还原为光图像的一门技术。

（1）视频信号与图像扫描

视频技术中实现光学图像到视频图像信号转换的过程通常是在摄像机中完成的。当被摄景物通过摄像机镜头成像在摄像器件的光电导层时，光电靶上不同点随照度不同激励出数目不等的光电子，从而引起不同的附加光电导产生不同的电位起伏，形成与光像相对应的电图像。该电图像须经过扫描才能形成可以被处理和传输的视频信号。

客观景物图像对于人眼的感觉来说，可以被看成是由很多有限大小的像素组成的，每一个像素都有它的光学特性和空间位置，且随时间变化。根据人眼对图像细节的分辨能力和对图像质量的要求，要得到较高的图像质量，每幅图像通常要有几十万至几百万个的像素。显然，要用几十万至几百万个传输通道来同时传送图像信号几乎是不可能的，因此必须采用某种方式完成对图像的分解与变换，使代表像素信息的物理量能用时间的一维函数来表达。在电视系统中，对景物图像的像素分解与合成以及图像的时空转换是由扫描系统完成的。

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。只要这种传送顺序进行得足够快，人眼就会感觉图像上的所有像素在同时发亮。在电视技术中，将这种传送图像的既定规律称为扫描。如图2.1所示，摄像管光电导层中形成的电图像在电子束的扫描下顺序地接通每一个像素，并连续地把它们的亮度变化转换为电信号；扫描得到的电信号经过单一通道传输后，再用电子束扫描具有电光转换特性的荧光屏，从电信号转换成光图像。在电视系统应用的早期，普遍使用的电真空摄像和显像器件均采用电子束扫描来实现光电和电光转换；而随着CCD/CMOS摄像机和平板显示器件的使用，利用各种脉冲数字电路便可实现上述扫描转换功能，基本消除了在图像采集和重建时产生的几何失真，使图像质量大大提高。

图2.1　电视系统扫描原理示意图

对每一帧图像，电视系统是按照从左至右、从上到下的顺序一行一行地扫描图像的。扫描行数越多，对图像的分解力越高，图像越细腻；但同时视频信号的带宽也就越宽，对信道的要求也越高。和在电影中一样，为了能够得到连续的、没有跳跃感的活动图像，视频系统也需在每秒内传输20帧以上的图像，才满足人眼对图像连续感的要求。由于历史原因，目前国际上存在25帧/秒和30帧/秒两种主要的帧频制式。然而，每秒20～30帧的图像显示速率尚不能满足人眼对图像闪烁感的要求。为了在不增加电视系统传输帧率和带宽的条件下减小闪烁感，现有各种制式的电视系统均采用了隔行扫描方式。隔行扫描方式将一帧电视图像分成两场：第一场传送奇数行，称为奇数场；第二场传送偶数行，称为偶数场。隔行扫描方式的采用较好地解决了图像连续感、闪烁感和电视信号带宽的矛盾。

在电视系统中除传送图像信号本身以外，还需要传送行同步和场同步信号以标记图像行、场扫描的开始与结束。因此，图像信号、行场同步信号等经过合成，构成复合电视信号。

（2）彩色电视系统

根据人眼的彩色视觉特性，在彩色重现过程中并不要求还原原景物的光谱，重要的是获得与原景物相同的彩色感觉。彩色电视系统是按照三基色的原理设计和工作的。三基色原理指出，任何一种彩色都可由另外的三种彩色按不同的比例混合而成。这意味着，如果选定了三种标准基色，则任何一种彩色可以用合成它所需的三种基色的数量来表示。彩色电视系统正是基于人眼机能和三基色原理，设计出了彩色摄像机和彩色显示器。

在通常的彩色电视摄像机中，模仿人眼中的三种锥状细胞利用三个摄像管分别拾取景物光学图像中的红、绿、蓝分量，形成彩色电视信号中的红、绿、蓝三个基色分量信号。加性混色法则构成了显示器彩色显示的基本原理。在传统彩色荧光屏的内表面涂有大量的、由红、绿、蓝三种颜色为一组构成的荧光粉点。荧光粉是一种受电子轰击后会发光的化合物，其发光强度取决于电子束的强度。图像重现时，将接收到的彩色电视信号中的红、绿、蓝分量信号分别控制三个电子枪轰击相应颜色的荧光粉点发光；由于荧光粉点很小，在一定距离观看时三种基色发出的光经过人眼的混合作用，看到的是均匀的混合色。而最终人眼所看到的颜色，则是由三种基色的比例所决定的。在混色原理方面，主动发光型的平板显示器件（如等离子显示）大致与彩色荧光屏相同；但被动发光型的平板显示器件（如液晶显示），其三种基色是由三种颜色的滤光片在白色背光的照射下发出的，三种基色信号通过控制每种基色滤光片的通光量实现混色。

在彩色电视发展的初期，由于已经存在了相当数量的黑白电视机和黑白电视台，为了保护消费者和电视台的利益并扩大彩色电视节目的收视率，要求彩色电视系统的设计必须考虑与已有黑白电视的兼容。为此，在彩色电视系统中不是传送彩色电视信号中的红、绿、蓝三个基色分量，而是传送一个亮度分量和二个色差分量。在发送端，亮度分量和二个色差分量通过对红、绿、蓝三个基色分量的矩阵变换得到；接收端再通过矩阵逆变换还原成三个基色分量显示。当黑白电视机接收到彩色电视信号时，它只利用其亮度分量实现黑白图像显示；而彩色电视机接收黑白电视信号时，它将黑白电视信号当作其亮度信号同样实现黑白图像显示，进而实现彩色电视与黑白电视的上下兼容。在彩色电视中，由三种基色R、G、B 构成亮度信号的比例关系如下：

式（2-1）即为彩色电视系统的亮度方程。至于二个色差信号，则是分别传送红基色分量和蓝基色分量与亮度分量的差值信号，即U 和V。

式（2-2）中，k1、k2为加权系数。

为满足彩色电视与黑白电视在传输时的兼容性，还需在原有黑白电视信道相同带宽下同时传送亮度信号Y 和两个色差信号U、V。由于人眼对彩色细节的分辨力低于对亮度细节的分辨力，因此色差信号U 和V 可以用比亮度信号窄的频带来传送。从数据压缩的角度来看，也希望传送的是Y、U、V 而不是R、G、B，因为Y、U、V 之间是解除了一定相关性的三个量。彩色电视系统中的一个重大问题就是如何用一个通道来传送上述三个信号Y、U、V。在模拟电视阶段，对这三个信号的不同传输方式形成了三种不同的彩色电视制式，即PAL制、NTSC制和SECAM 制，这三种制式的不同之处主要在于对色度信号传送所采取的不同处理方式。

（3）视频信号频谱特点

电视系统是通过行、场扫描来完成图像的分解与合成的，尽管图像内容是随机的，但视频信号仍具有行、场或帧的准周期特性，其频谱结构呈现抽样信号的频谱特点。通过对静止图像电视信号进行频谱分析可知：它是由行频、场频的基波及其各次谐波组成的，其能量以帧频为间隔对称地分布在行频各次谐波的两侧。而对活动图像的电视信号，其频谱分布为以行频及其各次谐波为中心的一簇簇连续的梳状谱。对于实际的视频信号，谐波的次数越高，其相对于基波振幅的衰减越大。

在整个视频信号的频带中，没有能量的区域远大于有能量的区域。根据这一性质，模拟彩色电视系统利用频谱交错原理将亮度信号和色差信号进行半行频或1/4行频间置，完成彩色电视中亮度信号和色度信号的同频带传输。我国采用的PAL-D 制彩色电视信号，亮度信号带宽为6 MHz；在美国、日本等国采用的NTSC制电视系统中，亮度信号带宽为4.2 MHz。由于人眼对色度信号的分辨率远低于对亮度信号的分辨率，因此在彩色电视系统中色度信号的带宽一般均低于1.3 MHz，且将两个色差信号正交调制在彩色副载频上置于亮度信号频谱的高端，以减少亮色信号之间的串扰。

2.视频信息的数字化与编码

视频信息的数字化首先需要解决其两方面的离散化，即图像信息在时间上及二维空间位置上的离散化，以及图像灰度电平值的离散化。上述过程涉及视频信号的采样与量化，为完成数字化表达还需对其样值进行二进制编码。

就视频图像而言，对其时间轴的离散化过程在视频采集时便已完成，采样频率由电视系统的帧频和场频所决定；对其二维空间的离散化包含了水平和垂直两个方向的离散化过程。实际上，在通过扫描系统进行视频信号采集时，便已经完成了图像信息垂直方向的离散化过程，其垂直方向的采样率由电视系统的每帧电视扫描行数所决定。因此，在已给特定制式视频信号的情况下，其离散化过程主要是完成视频信号在水平方向的离散化。对于视频信号的采样频率选择，既要考虑满足奈克斯特取样定律，以避免重建图像信号产生混叠；还要考虑取样图像的取样结构，以便于数字图像的后续处理。通常，为了后续图像处理上的方便常采用矩形取样结构，这就要求视频信号的采样频率必须与其行频保持正倍数的关系。

经过抽样后的视频信号，只是一系列时间或空间上的离散样值，而每个样值的取值仍是连续的，还需将它转换为有限个离散值称之为量化。在量化过程中，模拟值与量化值间的误差称为量化误差或量化失真。对图像信号而言，在图像亮度平坦区域这种量化噪声看起来像颗粒状，故称之为颗粒噪声；图像量化带来的另一种失真称为伪轮廓现象。显然，量化噪声与伪轮廓现象都与量化精度有关，量化越精细，量化噪声越小，伪轮廓现象就会减轻，但这是以增加电平数（码率）为代价的。被量化之后的视频信号其每个量化电平最终被赋予一个二进制码字，称为编码。视频信号通常采用6～10 bit量化编码。

视频信息数字化后数据量比音频信息更大，以分量编码的标准清晰度数字视频信号为例，其数码率高达216 Mbit/s。在此情况下，1小时的电视节目需要近80 GB左右的存储容量；要远距离传送这样一路高速率的数字视频信号，通常要占用很大的信道带宽。显然，这样大的数码率在现有的数字信道中传输或在现有的媒体上存储，其成本都是十分昂贵的。

虽然表示图像需要大量的数据，但图像数据本身是高度相关的，一幅图像内部以及视频序列中相邻帧图像之间均有大量的冗余信息，通过适当的算法解除其相关性去除冗余便可得到高效率的压缩编码。对于一幅二维图像，可以观察到图像中的许多部分的灰度或颜色差别并不是太大，某些区域是均匀着色或高度相关的。例如，图像的背景可能是一堵墙，它是均匀上色的或显示出规则的模式，这称为空间相关或空间冗余。对于没有场景切换或镜头快速推拉摇移的视频序列，画面中的背景一般并无变化，只有移动的物体产生画面的差异，因而各帧图像间的差别极小，即视频序列中的图像是高度相关的，这称为时间相关或时间冗余。静止图像压缩的一个目标是在保持重建的图像的质量可以被接受的同时，尽量去除空间冗余信息。对于活动视频压缩，在去掉空间冗余的同时去除时间冗余，可以达到较高的压缩比。

除空间冗余和时间冗余外，在一般的图像数据中，还存在着其他各种冗余信息，主要表现为以下几种形式。

（1）信息熵冗余

信息熵冗余也称为编码冗余。由信息论的有关原理可知，为表示图像数据的一个像素点，只要按其信息熵的大小分配相应比特数即可。然而对于实际图像数据的每个像素，很难得到它的信息熵，因此在数字化一幅图像时，对每个像素是用相同的比特数表示，这样必然存在冗余。

（2）结构冗余

在有些图像的部分区域内存在着非常强的纹理结构，或是图像的各个部分之间存在某种关系，如自相似性等，这些都是结构冗余的表现。

（3）知识冗余

在有些图像中包含的信息与某些先验的基础知识有关，例如，在一般的人脸图像中，头、眼、鼻和嘴的相互位置等信息就是一些常识，这种冗余称为知识冗余。

（4）视觉冗余

在多数情况下，重建图像的最终接收者是人的眼睛，为了达到较高的压缩比，可以利用人类视觉系统的特点得到高压缩比。人类的视觉系统对图像的注意是非均匀和非线性的，特别是人类的视觉系统并不是对图像中的任何变化都能感知。例如，图像系数的量化误差引起的图像变化，在一定范围内是不能为人眼所察觉的。

3.视频业务

（1）模拟广播电视

模拟电视信号在通过地面无线广播发射或通过有线电视系统传输时，对图像信号采用残留边带调幅、对伴音信号采用调频的发送方式。我国规定地面开路广播电视每一套节目所占频带为8 MHz，在VHF和UHF频段共划分68个频道，图2.2所示是其中一套节目占用的频谱分配结构示意图。地面广播电视将每一路电视节目所对应的视频和伴音分别以残留边带调幅和调频的方式调制到事先分配好的载频上，各路射频节目信号混合后统一送到发射台实现电视信号的视距广播电视节目覆盖。受发射天线高度等因素影响，通常地面广播电视节目的覆盖范围只有几十千米，一般局限在一个城市的范围。广播电视用户在接收节目时，可使用室外或室内天线接收电视信号，然后输入电视接收机对接收到的射频信号进行解调，恢复视频和伴音信号并播放供用户收听收看。

图2.2　广播电视信号频谱分配结构示意图

在有线电视系统中，调制好的射频信号不再被送去广播发射，而是被送入有线电视网络进行节目信号的分配。有线电视系统是由有线电视前端、干线传输与分配网络，以及入户网络等部分组成。前端完成节目信号的调制和节目混合；干线传输与分配网络完成信号的远程传输、信号放大、信号分配，它既可以全部由同轴电缆和干线放大器构成，也可以由光纤和同轴混合网络构成；入户网络完成最后的信号入户接入，主要由入户同轴电缆和分支分配器构成。在地面开路广播电视中，各频段之间均留有一定的间隔，这些频率被分配给调频广播、电信业务和军事通信等应用。对于这些频率，开路广播电视是不能使用的，否则将造成电视与其他应用的相互干扰。此外，由于开路广播电视存在临频干扰问题，相邻频道不能安排节目，因此节目数量十分有限。但由于有线电视是一个独立的、封闭的系统，只要设计得当，不仅不会与其他通信业务产生相互干扰，还可以在相邻频道安排节目，因此可以大大扩展有线电视业务所能提供的节目数量。

除地面广播发射和有线电视传输两种视频广播业务，卫星电视则是另外一种覆盖范围更大的视频广播业务。卫星电视是一种利用地球同步卫星将电视信号转发传输到用户端的广播电视形式。卫星电视的传输过程一般为：通过卫星将地面基站发射来的微波信号远距离传输转发，用户使用定向天线接收并通过解码器解码后输出到电视终端收视。卫星电视主要有两种实现方式：一种是由有线电视台采用大口径天线集中接收送到前端，再将电视信号调制通过有线电视网络传送到用户家中；另一种是由用户通过小口径天线在家直接接收，用家庭卫星电视接收机解调后送入电视机观看。两种方式对卫星发射功率的要求差别较大。

（2）数字视频广播

数字视频压缩技术的发展使数字视频广播成了目前电视节目传播的主要方式。采用数字视频压缩技术和信道调制技术，可在一路模拟电视信号所占带宽内实现传送多路标准清晰度数字电视节目或一路数字高清晰度电视节目，大大提高了信道利用率，降低了每路电视节目的传输费用，并可使图像达到广播级质量。

数字视频广播与模拟电视广播一样有三种广播方式：一是使用卫星的数字卫星电视直播；二是采用有线电视网络传输的数字有线电视；三是地面无线广播的数字地面电视。为了最大限度地降低各种数字视频应用所需的成本，使其具有尽可能大的通用性，在数字视频广播的一系列标准中，其核心系统采用了对各种传输媒体（包括卫星、有线电缆与光缆、地面无线发射等）均适用的通用技术。图2.3给出了数字视频卫星传输系统发送和接收的信息流程图。

图2.3　卫星数字视频传输系统的信息流程图

数字视频广播的传输系统分为信源编解码和信道编解码两部分。信源编码采用MPEG-2码流，首先对音频和视频码流进行节目复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。在接收端进行相应的解复用和解码。信道编解码包括：前向纠错编码/译码、调制/解调和上/下变频三部分。卫星传输一般采用QPSK 调制方式，有线传输采用QAM 调制方式，地面传输采用COFDM 或16VSB调制方式。

数字卫星电视直播系统是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。将视频、音频以及数据放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，信号在传输过程中有很强的抗干扰能力，然后进行信道处理。通过卫星转发的数字视音频信号，经卫星电视接收机接收处理后输出给显示和播放系统。卫星直播方式传输覆盖面广、节目量大，通常采用四相相移键控调制QPSK 对节目传输流进行信道编码，在使用MPEG-2的MP@ML 格式时，用户端达到CCIR601演播室质量的码率约为9 Mbit/s，达到PAL质量的码率约为5 Mbit/s。

数字有线电视系统由于传输介质采用的是光纤和同轴电缆，与卫星传输相比抗外界干扰能力强，信号强度相对较高。调制方式通常采用16、32、64QAM 三种方式，对于QAM 调制而言，传输信息速率越高，抗干扰能力越低。采用64QAM 正交振幅调制时，一个PAL通道的传输码率为41.34 Mbit/s，可供多套节目复用。数字有线电视系统的特点是可与多种节目源相适配，所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其他外来节目信号；既可用于标准清晰度数字电视，又可用于高清晰度数字电视。

数字地面视频广播系统是播出和接收环境最复杂的数字视频传输系统，通常采用编码正交频分复用（COFDM）调制方式，8 MHz带宽内能传送4套标准清晰度电视节目。与卫星和有线数字视频广播不同，数字地面视频广播既支持固定接收，也支持移动接收，这使得用户使用数字视频广播业务的应用场景大大丰富，用户使用车载移动接收机或手持移动终端即可享用电视节目。

（3）可视电话

可视电话业务是一种点到点的双向视频通信业务，它能利用通信网双向实时传输通话双方的活动图像和语音信号。由于可视电话能收到面对面交流的效果，实现人们通话时既闻其声、又见其人的梦想。可视电话由语音通话、视频采集、视频显示、视音频压缩编码以及中央控制器等部分组成。可视电话的话机和普通电话机一样用来进行语音信息交换；摄像设备的功能是摄取本方用户的图像传送给对方；接收显示设备的作用是接收对方的图像信号并在荧光屏上显示对方的图像。与语音通信业务一样，可视电话业务也可在各种业务网上加以实现，如基于PSTN 的可视电话、基于ISDN 的可视电话以及基于IP网络的可视电话。当然，不同业务网可提供的网络带宽和服务质量相差较大，因此基于不同网络实现的可视电话业务在语音质量、图像分辨率、图像帧率等方面也存在很大差异。

（4）视频监控

视频监控是一种多点到一点的单向视频通信业务，它可以将多个分布在不同空间位置的监控图像集中传送到监控中心，完成对各监视点图像声音的集中监测、记录等功能。完整的视频监控系统是由摄像、传输、控制、显示、记录登记等部分组成。摄像机可分为网络数字摄像机和模拟摄像机两种，用以完成对前端视频图像信号的采集。摄像机通过网络线缆或同轴视频电缆将视频图像传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到各监视器及录像设备，同时可将采集的语音信号同步录入录像机内。通过控制主机，操作人员可发出指令，对云台的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作，并可通过视频矩阵实现多路摄像机的切换。利用录像处理模式，可对图像进行录入、回放、调出及储存等操作。

视频监控可分为两大类：网络数字视频监控系统和模拟信号视频监控。传统模拟闭路视频监控系统（CCTV）由模拟摄像机、同轴电缆、录像机和监视器等专用设备构成。摄像机通过专用同轴电缆输出视频信号，连接到专用模拟视频设备，如视频画面分割器、矩阵、切换器、卡带式或硬盘式录像机（VCR）及视频监视器等。

基于IP网络的视频监控系统采用IP 摄像机，摄像机内置视音频压缩编码和Web服务器，通过以太网端口或WiFi与IP 网络相连接。IP 摄像机生成M-JPEG、MPEG4、H.264等格式的数据流，可供授权客户通过各种终端从网络中任何位置对其进行访问、监视、记录。

（5）视频点播

视频点播是一种双向不对称、受用户控制的视频分配和检索业务，观众可自由决定在何时观看何种节目。点播是相对于广播而言的，广播对所有观众一视同仁，观众是被动接受者；点播则把主动权交给了用户，用户可以根据需要点播自己喜欢的节目，包括电影、电视、音乐、卡拉OK、新闻等任何视听节目。视频点播的最大特点是信息的使用者可根据自己的需求主动获得信息，它区别于信息发布的最大不同一是主动性、二是选择性。在视频点播应用系统中，信息提供者将节目存储在视频服务器中，服务器随时应观众的需求通过传输网络将用户选择的节目信息传送到用户端，用户通过计算机、智能电视或机顶盒等终端进行节目收看。

如图2.4所示，一般的视频点播VOD 系统由节目内容提供者、管理中心、视频服务器、传输网络和终端等部分构成。视频点播的实现过程是：用户通过用户终端中的浏览器或应用程序发出点播请求；媒体服务系统根据点播请求将存放在视频服务器中的节目信息检索出来，以视频和音频流的形式通过高速传输网络传送到用户终端；由用户终端对视频和音频流进行解码并送到其显示和播放模块供用户观看收听。

图2.4　点播系统构成