§3.2 兼容制彩色电视基础
彩色电视为了与黑白电视兼容，它必须具备下列条件：（1）彩色信号中必须有亮度信号和色度信号；（2）占有与黑白电视相同的频带宽度；（3）伴音载频和图象载频分别与黑白电视相同；（4）采用相同的扫描频率和相同的复合同步信号；（5）亮度信号与色度信号之间的干扰要最小。其中，实现兼容最根本的条件是彩色电视必须以和黑白电视相同的带宽传送亮度信号和色度信号。根据公式（1.5－9），当fv=50Hz,Z=625行时，黑白电视图像信号（即亮度信号）约占6MHz带宽。因此必须在6MHz的带宽内同时传送亮度信号和色度信号，否则就无法实现兼容。人们通过对人眼视觉特性的，充分地应用色度学原理与电子电路技术的成就，采用恒亮传输方式和彩色电视信号的频带压缩措施，解决了在6MHz带宽内同时传送亮度信号和色度信号的，问题成功地实现了彩色电视与黑白电视的兼容。
3.2.1 实现兼容的基本措施
一、恒亮传输方式
彩色电视为了与黑白电视兼容，必须传送一个亮度信号，以便黑白电视机接收。根据彩色具有亮度、色调和饱和亮度三个要素的理论，传送彩色图象必须选用三个独立的信号。除了亮度信号外，还必须选择另两个信号来代表彩色的色度信息。这两个信号与色调和饱和度之间应存在确定的相互变换关系。例如用x、y坐标值。但是，彩色电视中常用两个色差信号B－Y和R－Y来代表色度信息，它们与彩色摄象机输出的R、G、B三基色信号存在下列关系。
目前的彩色电视是将两个色差信号进一步变换成色度信号，并且迭加在亮度信号上一起传送出去。黑白电视机收到这种彩色电视信号后，由于色度对正常黑白图象的干扰和影响很小，故黑白电视机显象管上只产生与亮度信号成比例的正常的黑白图像。彩色电视机收到这种彩色电视信号后，先变换成上述三种信号，即Y、（B－Y）和（R－Y）；再经解码矩阵按公式
还原成R、G、B三基色信号。在式（3.2-3）中，
还原出的R、G、B信号加到彩色显象管三个阴极（或者栅极）上，使荧光屏上重现出正确的彩色图像。采用亮度信号和两个色差信号作彩色电视传输信号的方式，称为恒亮传输方式。它有利于恒定亮度原理的实现（见3.2.2节），这是一个关键性的突破；它有利于彩色电视和黑白电视的兼容，这是彩色电视研究成功的重要技术之一。
二、彩色电视信号的频带压缩
用亮度信号和色差信号代替三基色信号作为彩色传送信号，实现了亮度和色度的分离，有利于恒定亮度原理的实现，这对兼容是有利的；但是亮度信号和两个色差信号带宽之和仍是黑白电视信号带宽的3倍。为了兼容，必须对由它们组成的彩色电视信号的频带进行压缩。利用高频混合原理与频谱交错原理，成功地将彩色电视信号的带宽压缩到与黑白电视信号的带宽相同。
1.高频混合原理
人们都有这样的生活经验，在黑白照片上，用笔粗略地涂上不同的颜色，就成了彩色照片。画一幅水彩画时，总是先用墨笔描绘出清晰的轮廓，然后用彩笔进行大面积涂色，整个画面就会给人们以细节清晰、彩色鲜艳、生活逼真的印象。大量的事例说明，人眼对彩色细节的分辨力远低于对黑白细节的分辨力。经测定人眼对亮度细节的分辨力极限值为1′～1.5′，对彩色细节的分辨力极限值为6′～10′。也就是说，人眼较容易辨别出彩色图像细节部分的明暗程度，而不容易辨出细节的颜色差别。
通过实验还发现，人眼对不同色调的细节分辨力也不同。例如，在同样亮度下，人们对绿色细节的分辨力较强，而对红、蓝色细节的分辨力较弱。如果人眼对黑白细节的分辨力定为100％，则实验测得人眼对各种彩色细节的分辨能力如表3－2所示。从表中数据可知，人眼对彩色细节的分辨力是很差的。
|
细节色别 |
黑 白 |
黑 绿 |
黑 红 |
绿 红 |
黑 蓝 |
红 蓝 |
绿 蓝 |
|
分 辨 力 |
100％ |
94％ |
90％ |
40％ |
26％ |
23％ |
19％ |
综上所述可得出一个重要结论：色度信号只需要在图象的大面积部分进行传送，在图象的细节部分只需传送亮度信号，不必传送色度信号，这就是大面积着色原理。根据这一原理，可用全部视频带宽（例如
[Page]0～6MHz），传送亮度信号Y，以保证清晰度；可用较窄的频带（例如0～1.3MHz）传送两个色差信号（R－Y），以进行大面积着色。这样在接收端所恢复的三个基色信号是：
由上式可知，接收端所恢复的三基色信号只含有较低的频率分量（0～1.3MHz），而它们的高频部分（1.3～6MHz），则用同一亮度信号的高频部分来补充。这就是高频混合原理。它是1950年首先由美国A.Bedford提出的。利用这一原理，既节省了频带，又减轻了亮度信号和色度信号共用频带而产生的相互干扰。
2. 频谱交错原理
采用恒亮传输出方式和高频混合措施后，彩色电视信号带宽等于8.6MHz〔Y为6MHz，（B－Y）和（R－Y）各为1.3MHz〕，它还是大于黑白电视信号的带宽。为了兼宽，还需要进行频带压缩。
根据黑白电视原理，黑白电视的亮度信号虽然占据了6MHz的带宽，但它并没有占满。其能量只集中在行频及其谐波附近一段较小的范围内，在
附近并没有亮
度信息，能量分布如图（1.4-9）所示。
由于彩色摄象管的扫描参量（fV、fH、z、隔行扫描）与黑白电视一样，所以，R、G、B信号的频谱结构和带宽与黑白电视的亮度信号完全相同。而彩色电视的亮度信号Y和色差信号（R－Y）、（G－Y）、（B－Y）都是R、G、B的线性组合，因此，它们和黑白电视的亮度信号频谱结构也完全一样。在图3.2-1中，图（a）是亮度信号频谱图，图（b）是经压缩后的色差信号频谱（0～1.3MHz）。由图可见：我们可以把色差信号设法安插在亮度信号频带的空隙中进行传送，但是不能简单地将亮度信号和色差信号混合在一起；否则，由于它们的基波和谐波的频率相同，势必使它们相互重迭，而无法在收端将它们分离出来。
NTSC制和PAL制都采用两个色差信号对同一个副载波进行正交平衡调幅，把色差信号的频谱搬到视频高端，精确选定副载波的频率，使已调色度信号的频谱，正好插入亮度信号的频谱空隙处，以形成频谱交错，如图（c）所示。从而达到压缩频带的目的。
通过高频混合原理和频谱交错两项措施，将彩色电视信号的频带压缩到与黑白电视信号的带宽相同（例如6MHz）。
3.2.4 标准彩条信号
为了计算和测量彩色电视系统的性能，常常利用彩条测试信号，如图3.2-3（a）所示。它们是由电子电路产生的一种标准度很高的测试信号，这些彩条的顺序是白、黄、青、绿、品、红、蓝、黑，研究彩条信号的波形，有助于清楚地了解彩色电视信号的特性。
彩条信号的基本参数有两个，即白条和彩条的幅度和饱和度。彩条信号通常有两种表示法，即双数码表示与四数码表示法。
一、双数码表示法
这种表示法是用两个百分数表示上面两个参数，即幅度百分数（％）/饱和度百分数（％）。幅度是指彩条信号中，彩条部分信号电压相对于白条部分信号电压幅度的相对值。即
幅度=
饱和度是指彩色纯净的程度，彩条中白光成分越少，饱和度越高。故
饱和度＝
在式（3.2-13）和式（3.2-14）中，Emax和Emin分别为彩条信号电压R0、G0和B0中的最大值和最小值，EW是白条的R0、G0、B0电压值。双数码表示法中的一切信号电压值均指γ校正以前的数值。图3.2－3中的（b）、（c）、（d）分别给出100％/幅100％饱和度正极性彩条三基色信号波形图。由三基色信号组成的亮度信号和色差信号波形图，见图（e）～（g）。如果三基色信号的最大值仍为1，而最小值为0.05，则不难算出在各基色和补色条中，均含有5％的白光，因而成为95%的饱和度、100％幅度彩条信号。此外，还可以有其他规范的彩条信号。例如100％饱和度、75％幅度彩条信号等。
二、四数码表示法
白条对应的基色/黑条对应的基色/彩条对应的基色/彩条对应的基色
幅度百分数 / 幅度百分数 /最大幅度百分数/最小幅度百分数
以上幅度是指γ校正后的信号而不是指γ校正前的信号 ，并且以白条的基色幅度作为100％。常见的有100－0－100－0彩条、100－0－75－0彩条、100－0－100－25彩条等等。我国电视规定采用[Page]100－0－75－0彩条，此彩条原是欧洲广播联盟（European Broadcastin Union）提出并采用的，故称为EBU彩条。上述彩条的饱和度和幅度可按下式计算：
饱和度＝
幅度＝
式中，Emax和Emin分别是彩条信号R、G、B中的最大值和最小值，Ew是组成白条时R、G、B的幅度。不难看出，按式（3.2-14）和式（3.2-15）计算的饱和度结果相同，而分别按式（3.2-13）和式（3.2-16）计算的幅度结果不相同，它们分别表示γ校正前、后的百分数幅度。
按式（3.2-15）和式（3.2-16）可以算出，100－0－100－0彩条信号为100％饱和度和100％幅度；100－0－75－0彩条信号为100％饱和度和75％幅度。而对于100－0－100－25彩条信号，当γ＝2.2时为95％饱和度和100％幅度；当γ＝2.8时则为98％的饱和度和100％幅度。
当彩色电视系统传送实际景物或图象时，通常不会出现100－0－100－0彩条信号那样的高饱和度和大幅度。所以一般不采用这种彩条信号，只有在精细调整编码器和解码器时才采用它。
表3－4，3－5和3－6分别给出三种彩条信号的基色信号R、G、B，亮度信号Y和色差R－Y，B－Y的数据。这些数据的基准是黑电平作为零、峰值白电平作为1。
根据上列各表数据分别画出三种彩条的基色信号，亮度信号与色差信号波形图，如图3.2-4所示。由表3－5和3－6数据可以看出，后两种彩条的色差信号完全相同。
表3－4 100－0－100－0彩条信号数据
|
信 号 色 别 |
R |
G |
B |
Y |
R-Y |
B-Y
|
|
白 黄 青 绿 品 红 蓝 黑 |
1.0 1.0 0 0 1.0 1.0 0 0 |
1.0 1.0 1.0 1.0 0 0 0 0 |
1.0 0 1.0 0 1.0 0 1.0 0 |
1.0 0.89 0.70 0.59 0.41 0.30 0.11 0 |
0 0.11 -0.70 -0.59 0.59 0.70 -0.11 0 |
0 -0.89 0.30 -0.59 0.59 -0.30 0.89 0 |
表3－4 100－0－100－25彩条信号数据
|
信 号 色 别 |
R |
G |
B |
Y |
R-Y |
B-Y
|
|
白 黄 青 绿 品 红 蓝 黑 |
1.0 1.0 0.25 0.25 1.0 1.0 0.25 0 |
1.0 1.0 1.0 1.0 0.25 0.25 0.25 0 |
1.0 0.25 1.0 0.25 1.0 0.25 1.0 0 |
1.0 0.91 0.78 0.69 0.56 0.47 0.34 0 |
0 0.09 -0.53 -0.44 0.44 0.53 -0.09 0 |
0 -0.66 0.22 -0.44 0.44 -0.22 0.66 0 |
表3－6 100－0－75－0彩条信号数据
|
信 号 色 别 |
R |
G |
B |
Y |
R-Y |
B-Y
|
|
白 黄 青 绿 品 红 蓝 黑 |
1.0 0.75 0 0 0.75 0.75 0 0 |
1.0 0.75 0.75 0.75 0 0 0 0 |
1.0 0 0.75 0 0.75 0 0.75 0 |
1.0 0.66 0.53 0.44 0.31 0.22 0.09 0 |
0 0.09 -0.53 -0.44 0.44 0.53 -0.09 0 |
0 -0.66 0.22 -0.44 0.44 -0.22 0.66 0 |
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