电视技术中的扫描原理与分类

将图像各像素的信息变成顺序传输电信号的过程，称为电视技术中的扫描。电视扫描的过程采用的是从左往右、自上而下一行一行进行的扫描方式，扫描完一幅画面后再重复扫描第二幅，如此循环。从左往右的扫描方式称为水平扫描，自上而下的扫描方式称为垂直扫描。

电视扫描一般可以分为逐行扫描和隔行扫描。

（一）逐行扫描

逐行扫描是指在图像上从上到下一行紧跟着一行的扫描方式。在摄像管和显像管中，为了实现电子束的逐行扫描，两对偏转线圈要分别通以水平扫描和垂直扫描锯齿波电流，如图3-5（a）所示。

图3-5（a）中，iH为行扫描电流，t1～t1'为水平扫描的正程期间，它使电子束在荧光屏上从最左端移动到最右端；t1'～t2为水平扫描逆程期间，它使电子束从最右端迅速返回到最左端，再进行下一行扫描。iv为垂直扫描电流，t1～t8为垂直扫描正程期间，它使电子束在荧光屏上从最上端移动到最下端，t8～t9为垂直扫描逆程期间，它使电子束快速从最下端返回到最上端，再进行下一帧扫描。在两个磁场的共同作用下，每一条水平扫描线是略微倾斜的，电子束在摄像管的光敏靶上和显像管的荧光屏上的移位情况如图3-5（b）所示。

图3-5　逐行扫描方式扫描电流示意图

下面我们要介绍一下扫描光栅的概念。

在电视技术中，不考虑图像内容，只由电子束扫描形成的扫描线结构称为扫描光栅。由于电视系统的扫描方式为单向扫描，只在扫描正程传送图像信息，所以在水平和垂直扫描逆程期间电子束是不发射的，故正常的扫描光栅只由垂直扫描正程中的水平正程扫描线构成。

扫描光栅的帧型比（宽高比）是指扫描光栅的水平宽度与垂直高度之比。为了符合人眼清晰视觉视场范围的要求以及当时的电路技术水平，国际统一规定帧型比为4：3，且规定了在画面高度的4～6倍距离观看图像为最适宜，这时对应的视角约为20°×15°（水平视角×垂直视角）。

当然，目前大家比较熟悉的是16：9的帧型比，因为科学家发现了人体眼睛的瞳孔比例也刚好是16：9，这个重大的发现也就带来电视行业的重大改革。根据人体工程学的研究，发现人的两只眼睛的视野范围并不是方的，而是一个长宽比例为16：9的长方形，所以，为了让电视画面更加符合人眼的视觉比例，现在的电影和连续剧大部分都做成了16：9的长方形画面，也称为宽银幕、宽屏等等，未来的高清晰度数字电视节目也都是16：9的画面。高清晰度数字电视节目的最佳观看距离为画面高度的3倍，因为在画面高度3倍的距离观看电视屏幕，会有临场感，而且对电视系统清晰度的要求也不会过高，这时对应的水平视角和垂直视角约为34°×19°。

（二）隔行扫描

经计算，逐行扫描所需带宽较大，在当时的技术条件下难以实现。如何在保证不降低图像分解力的前提下，减小图像信号的带宽，唯一可行的措施是采用隔行扫描的方式，如图3-6所示。

图3-6　隔行扫描的行、场扫描电流波形及光栅图

隔行扫描是指将一帧画面从上到下分两次进行扫描，先扫描1，3，5，7，9……奇数行，形成以奇数行光栅构成的奇数场；接着扫描画面上的2，4，6，8……偶数行，形成以偶数行光栅构成的偶数场。通常将隔行扫描默认为2：1隔行扫描。我国电视制式即采用这种方式。

因为隔行扫描后每帧图像分两场进行扫描，场频比帧频高一倍，达到了50Hz，没有了闪烁感。在逐行扫描中，为了保证画面无闪烁感，往往需要提高帧频到50Hz，与此同时行频增加了一倍，达到了625×25×2=31250（Hz），625为每帧画面的扫描行数，图像带宽较大。隔行扫描可以在保证图像质量的前提下，将图像信号带宽减少一半，行频为625×25=15625（Hz）。

（三）扫描原理中几个需要注意的问题

1.扫描正程与扫描逆程

水平扫描又称行扫描，一个行扫描周期TH=行正程时间THt+行逆程时间THr。行逆程系数α=THr/TH，行频fH=1/TH。(www.xing528.com)

垂直扫描又称帧扫描（场扫描），一帧分为两场。帧周期TF=帧正程时间TFt+帧逆程时间TFr，场周期Tv=场正程时间Tvt+场逆程时间Tvr。帧逆程系数βF=TFr/TF，帧频fF=1/TF。场逆程系数βv=Tvr/Tv，场频fv=1/Tv。显然TF=ZTH，fH=ZfF，fv=2fF，有效扫描行数为：

Z'=（1-βF）Z

我国电视采用隔行扫描，规定电视扫描参数：TH=64μs，THt=52μs，THr=12μs，α=18%，fH=15625Hz，TF=40ms，Tv=20ms，Tvt=18388μs，Tvr=1612μs，β=8%，fF=25Hz，fv=50Hz。

2.场频的选择

选择场扫描频率时，主要考虑光栅无闪烁、不受电源干扰、传送活动图像有连续感、图像信号占用带宽尽可能窄等方面的因素。

第一，若要求电视图像中人物的动作有连续感，即没有跳跃的感觉，根据人眼的视觉惰性，只要帧频高于20Hz，就能很好地反映一般运动速度的活动景象的连续感。

第二，仅仅达到20Hz的频率，此时还存在着大面积的光栅闪烁，长时间观看，容易造成疲劳。为了避免光栅闪烁，场频一定要大于临界闪烁频率，即fv≥45.8Hz。

第三，为了避免电源的干扰，场频应与电源频率相同并且锁定。若场频与电源频率不相同，接收机电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图像会产生扭曲摆动和“滚道”现象（即图像上出现一条宽的横亮暗带上下滚动）。如果场频与电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。

3.扫描行数的确定

扫描行数的确定，主要考虑图像的清晰度与图像信号带宽两方面的因素。当行数Z增加时，图像清晰度增加。由于图像信号带宽Δf与行数Z的平方成正比，行数增加会使带宽急剧增加，视频带宽的增加会使在一定波段中可安排的电视频道数目减少；同时，视频带宽的增加将导致电视设备的复杂化。

人眼分辨力用分辨角表示，分辨角θ约为1'～1.5'。假设一幅画面沿垂直方向均匀分布着等宽度的黑白相间的水平条纹，人在距离画面4倍高度（指画面高度）的位置上观看，可以证明当画面上有573条水平条纹时，人眼观看相邻两条黑白条纹的张角正好是1.5'。这就是说，一帧的有效扫描行数Z'=573是合适的，它正好适应人眼分辨力的要求。根据公式Z'=（1-βF）Z，可以算出Z=620行。综合考虑各种因素以后，PAL制式选定了625/25作为标准。

为了进一步提高电视的质量，使之达到35mm电影的水平，世界上各国都在积极研究高清晰度电视，这种电视的扫描行数增加到1000行以上，视频信号带宽相应地在30MHz以上。

4.隔行扫描的缺点

（1）存在行间闪烁。因为每一行在一秒钟只亮25次，相邻行之间会有闪烁感觉。比如在观看格子衣服、影片末尾向上移动的很小字符的演职人员名单时，由于细节高度小于两行间距，就会出现一场存在另一场不存在的亮线，给人明显不舒服的闪烁感。

（2）容易出现并行现象，影响垂直分解力。并行有视见并行和实际并行两种表现形式。前者出现在物体沿垂直方向运动或摄像机镜头俯仰移动的时候，如果向上或向下的移动速度刚好是一场期间移动一行的距离，则下一场扫描到的画面上的物体细节将与前一场的相同，当视线跟随运动方向观看物体时，就相当于两行变成一行了。后者是因显示设备两场光栅镶嵌不好而引起的两场扫描线局部或全部重叠的现象。隔行扫描光栅镶嵌原理如图3-7所示。

图3-7　隔行扫描光栅镶嵌原理图

（3）当画面中有沿水平方向运动的物体时，如果运动速度足够快，其物体垂直边沿会出现锯齿。

尽管如此，隔行扫描的优点还是主要的，因此在当时的技术条件下世界各国的广播电视系统都毫无例外地采用隔行扫描方式。

在今天，我国的高清电视还在采用隔行扫描方式，但超高清电视采用逐行扫描方式。