电视
广播和视频通信工具
电视(Television、TV)是“电视信号接收机”的通称,是指使用电子技术传送活动的图像画面和音频信号的设备,即电视接收机。是重要的广播和视频通信工具。
电视最早由英国工程师约翰·罗杰·贝尔德在1925年发明。1931年,美国科学家兹沃雷金制造出比较成熟的光电摄像管,即电视摄像机。1951年,美国H·洛发明三枪荫罩式彩色显像管,彩色显像管原理。美国伊利诺伊大学的DonaldBitzer教授、H.GeneSlottow教授和研究生RobertWillson在前人的基础上发明首台等离子显示屏。1981年日本索尼索尼公司研制出袖珍黑白电视机。夏普SHARP公司在液晶领域的开拓和创新,使其有“液晶之父”的美誉。
电视机系统是一个包含射频处理(TV信号处理)、视频处理(AV信号处理、Y/C分离信号处理)、模拟分量信号(YPbPr)处理、HDMI信号处理、模拟RGB信号(监视器信号)处理、液晶显示屏驱动、音频处理等部分的综合性液晶电视系统。只有这些系统相互协调、紧密配合,才可以保证电视机系统的正常运行以及实现系统所要完成的各项任务和功能。
电视原理
工作原理
电视技术就是传送和接收图像的技术,电视图像的传送是基于光电转换原理,实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。电视广播的基本过程。在发送端,根据光电转换原理将图像(光信号)经过摄像机转变为电信号(视频信号),再经过放大,耦合到图像发射机。图像信号及伴音信号在发射机中分别调制到各自的载波上,从而形成图像高频信号和伴音高频信号,然后用同一发射天线发送出去。在接收端,由电视接收天线将高频图像和伴音信号一起接收下来,在接收机中对信号进行处理(放大及检波)取出反映图像内容白的视频信号,并经视频放大后送显像管重现出图像;同时取出反映伴音内容的音频信号,在扬声器中还原出声音。
成像原理
传统电视机的核心元件是显像管,所以又叫显像管电视机。显像管是一种阴极射线管,阴极射线管主要有五部分组成:电子枪,偏转线圈,荫罩,荧光粉层及玻璃外壳。显像管使用电子枪发射高速电子,经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度,最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光,通过电压来调节电子束的功率,就会在屏幕上形成明暗不同的光点,形成各种图案和文字。
背投是相对于正投影机而言的。市场上常见的多媒体投影机主要是指正投影机。从原理上讲,背投和正投是相同的。简单地说,正投是观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧,从投影机投射出来的光照射到屏幕,观察者看到的是屏幕反时回来的光:背投是观察者和投影机位于背投屏幕的两侧,将投影机安装在机身内的底部,从投影机投射出来的光照射到半透明的背投屏幕时会有部分光透过,观察者看到的是透射出来的光。背投式电视主要包括电子枪系统、背投影屏幕、反射镜等几个部分。工作原理方面,背投电视与普通显像管电视最大的区别,主要在于接收电视信号后的处理方式上。
所谓等离子是迄今为止发现的除第四种物质状态,即气、固、液三态外的等离子电视机就是将等离子体填充到两片玻璃体之间,再加以高电压,使之按要求运动,从而产生各种颜色。它是一种利用气体放电的显示技术,其工作原理与日光灯很相似。它采用了等离子管作为发光元件,屏幕上每一个等离子管对应一个像素,屏幕以玻璃作为基板,基板间隔一定距离,四周经气密性封接形成一个个放电空间。放电空间内充入氛、等混合惰性气体作为工作媒质。在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作激励电极。当向电极上加人电压,放电空间内的混合气体便发生等离子体放电现象,气体等离子体放电产生紫外线,紫外线激发荧光屏,荧光屏发射出可见光,显现出图像。一个像素由3个气室组成,然后这个像素的3个气室会分别涂有红色荧光粉、绿色荧光粉和蓝色荧光粉。当使用涂有三原色荧光粉的荧光屏时,紫外线激发荧光屏,荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色,便实现彩色显示。
液晶电视机是利用光线通过液晶时,对液晶施加不同电压使液晶分子转动,这样光线透过液晶分子产生不同的亮度强度,最后通过滤光片色轮来决定显示出画面的色彩,最终达到成像,液晶常温下只是粘糊糊的半液体,液晶的分子很像一根木棒,当给液晶施以一定电压时,它的分子会旋转一定角度。这种特性非常有用,它能让光线的偏振面(即电场强度的振动方向)改变原来的方向,即横向的偏振光射人液晶后,会改变90度出来。而且,对液晶施加的电压不同,液晶分子的旋转角度也会不同,利用这一性质可以起到控制光线强度的作用,液晶显示器的显示基础就在这里。
电视系统
如今市场上的电视音视频处理芯片一般都包括了微控制器、OSD 处理、彩色解码、模数转换、音频处理、图像缩放、逐行变频转换、内置记忆体和液晶显示屏控制等功能 ,主要有以下八大模块
前台处理模块
该模块主要工作是对各种格式的输入信号进行前端部分的处t理,具体有以下几个部分:模拟信号输入切换矩阵,该部分主要是对输入的各种格式模拟信号进行分配,并将输入的标清信号送到标清模数转换(SDADC)部分,或者将输入的高清信号送到高清模数转换(HDADC)部分;2)数字信号切换矩阵,由模数转换出来的数字信号进入该部分进行格式识别和分配。如果当前信号为复合视频(TV、AV、Y/C)信号则送到视频解码部分,其余信号送到数字信号处理块;视频解码部分,该部分主要包括处理亮色(YC)分离的2D/3D梳状滤波器和彩色解码器;信号选择和变换处理,该部分对所有输入信号进行格式选老择和变换处理。
数据输入处理模块
该模块的主要工作是对输入的数字标清信号(DL_SD)按串行8比特4:2:2(656)或者并行16比特4:2:2(601)格式进行处理,而对输入的数字高清信号(DI_HD)按24比特4:4:4格式进行处理,具体有以下几部分:行同步和场同步前端缩放部分,该部分主要对输入的行同步信号和场同步分别进行简单缩放;图像降噪部分,该部分主要工作是减少图像信号的噪点,电影模式和画面运动检测,该部分主要对图像信号进行电影模式和画面的运动过程进行检测,为后面的处理做准备;隔行转逐行部分,该部分主要是将输入的隔行信号转换成逐行信号;运动适应处理部分,根据前面的电影模式和画面运动的检测,该部分通过插帧的方式对电影模式和运动画面图像进行处理;行场同步信号的后端缩放,该部分主要对图像信号做最后的缩放处理并将信号送到下一个模块。内存处理速率控制部分,在本模块各部分的信号处理过程中都需要内置存储器的配合,该部分主要工作是控制内存传输速率。
内存管理模块
该模块主要对芯片中的内存(SDRAM)进行管理,其中主要有:3D梳状滤波、隔行转逐行变换、转换速率、图形、图形、图文输人、声音数字处理等5部分的内存管理块状态。
显示和液晶屏处理模块
该模块主要工作是对信号进行图像显示效果处理和液晶屏控制处理,具体有以下几部分:输入信号混合部分,该部分主要对分别输入的高清信号和标清信号进行选择并送到图像信号改善部分。图像信号改善部分,该部分包括了许多画质提升功能,其中包括:彩色信号边缘提升、亮度信号边缘提升、动态对比度增强量、蓝电平延伸、绿电平延伸、亮度和对比度调整等功能。液晶屏控制输出部分,该部分输出的液晶屏控制信号有:数字RGB信号输出、LVDS输出、行场同步信号输出、时钟输出、PWM输出等。数模转换输出部分,该部分主要是用于CRT电视的模拟输出,对本系统无作用。
图形处理模块
该模块负责对从CPU模块输入的OSD显示和外部图文信号进行处理,具体的处理工作主要是彩色调整和图形缩放。然后将处理完的信号叠加到图像信号中去。
微控制器模块
微控制器模块是整个系统的核心部分,它负责控制系统的新有器件,也是软件系统设计的硬件基础,一般普通中低档电视均采用单片机C51方案。
声音信号处理模块
该模块主要负责处理所有输入的音频信号,它不仅具有通道切换、音量、高音、低音、平衡和环绕等基本声音参数的控制功能,还内置了BBE和SRSWOW等的特殊音效控制功能。
时钟发生模块
该模块通过时钟发生器产生同步脉冲时钟信号,并将时钟信号输出给数字处理模块和内存管理模块。
电视制式
黑白电视制式通常是按其扫描参数、视频信号带宽以及射频特性的不同分类。目前世界上的黑白电视制式大致分为13种:A、B、C、D、E、F、G、H、I、K、L、M、N。对于彩色电视系统来说,除了上述有关特性外,在发送端和接收端还必须采取某种特定的信号处理方式,从而构成了具有不同特点的各种彩色电视制式。自从1928年英国人约翰·罗杰·贝尔德提出的第一个彩色电视方案以来,世界各国已研制出许多种彩色电视制式。在这些制式中有的因性能不好被淘汰了,有的则用于应用电视系统(也称非广播电视系统一NBTV)。目前世界上实际用于广播电视系统的彩色电视制式只有NTSC、PAL和SECAM三大制式。这三大制式与黑白制式的不同组合形成目前世界上十多种广播电视制式。
NTSC制是三种制式中研制成功最早、成本最低的一种。NTSC是NationalTelevisionSystemCommittee(国家电视制式委员会)的缩写词、1953年由美国研制成功的正交平衡调幅制,它的主要核心技术是采用正交平衡调幅和正交同步检波技术将色度信号用一个副载波传送。在发送端,NTSC制按图1的方式进行编码。三基色R、G、B信号在矩阵电路进行线性组合、形成亮度信号Y、色度信号I和Q。I、Q信号经正交平衡调幅后得到色度信号c。+K脉冲经平衡调制后得色同步信号cb。Y、ec、e及同步机送来的复合同步信号S脉冲混合组成供调制图象载波用的彩色全电视信号FBAS。
PAL制,又称逐行倒相正交平衡调幅制(PhaseAlternationLine),1962年西德在NTSC制的基础上研制成功。它沿用了NTSC制大部分技术,只是为克服NTSC制的相位敏感性,将色度信号的V分量进行逐行倒相。即PAL制采用U、V色差信号代替NTSC制中的I、Q信号。U=0.493(B-Y),V=0.877(R-Y)。USinw,分量保持不变、Vcosω,分量进行逐行倒相,因此相邻两行的色度信号可用复数表示为:U+jV(称NTSC行)和U-jV(称PAL行)。
SECAM制是1966年法国研制成功的一种顺序一同时制。SECAM是法文SéquentialCouleuráMemoire(顺序传送彩色与存储)的缩写。实际上,按SECAM制的色度信号及其解调的特点来看,SECAM制可称为:顺序传送与存储复用调频制。
发展历程
历史沿革
1883年,德国电气工程师尼普柯夫(PaulNipkow)用他发明的“尼普柯夫圆盘”使用机械扫描方法,做了首次发射图像的实验,每幅画面有24行线,且图像相当模糊。
第一台真正意义上的电视于1925年问世,英国发明家约翰·贝尔德(JohnBaird)在“尼普柯夫圆盘”的基础上,发明了机械扫描式电视摄像机和接收机,并首次在相距4英尺远的地方传送了一个“十”字影像,宣告了世界首台电视的诞生,贝尔德也因此被称为“电视之父”。
1931年,美国科学家兹沃雷金(VladimirKosmaZworykin)制造出比较成熟的光电摄像管,即电视摄像机,并在一次试验中将一个由240条扫描线组成的图像传送给4英里以外的一台电视机,再利用镜子把9英寸显像管的图像反射到电视机前,完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程。随着电子技术在电视上的应用,电视开始走出实验室,进入公众生活之中,开始成为真正的信息传播媒介。而阴极射线管(CathodeRayTube)也开始作为电视的核心部件,一直沿用至今,使用阴极射线管为显像部件的电视,被简称为CRT电视。1933年,俄裔美国科学家兹沃里金研制成功可供电视摄像用的摄像管和显像管意,完成了使电视摄像与显像完全电子化的过程。后来美国无线电公司(RCA)花了四百万美元进行了改进和完善工作,电视才成为实用的家用电器。
1951年,美国H·洛发明三枪荫罩式彩色显像管,彩色显像管原理。洛伦斯发明单枪式彩色显像管。1954年美国得克萨期仪器公司研制出第一台全晶体管电视接收机。1966年美国无线电公司研制出集成电路电视机。1964年7月,美国伊利诺伊州立大学的科学家们首次提出PDP等离子体显示的概念。PDP全称是PlasmaDisplayPanel,即我们所说的等离子。PDP是一种利用惰性气体电离放电发光的显示装置。同LCD一样,PDP也属于矩阵模式显示设备,面板由一个个规则排列的像素单元构成,每个像素单元对应一个内部充有、氙混合气体的等离子管密封小室来作为发光元件。当向等离子管电极间加上高压后,小室中的气体就会发生等离子体放电现象并产生紫外光,进而激发前面板内表面涂有的红、绿、蓝三基色荧光粉发出相应颜色的可见光来形成图像。
1964年,首台等离子显示屏诞生,是由美国伊利诺伊大学的DonaldBitzer教授、H.GeneSlottow教授和研究生RobertWillson在前人的基础上发明的。他们是通过在两张超薄玻璃板之间,矩阵模式的密封空间注入惰性气体,并施加高压后,使气体第6期现代信息科技382019.3发生等离子体放电产生紫外光,激发R、G、B三原色荧光粉发光。每一个像素都是一个主动发光单元,在发光单元内部实现256级灰度后再进行混色,最终显示出丰富的色彩。
1981年日本索尼索尼公司研制出袖珍黑白电视机。夏普SHARP公司在液晶领域的开拓和创新,使其有“液晶之父”的美誉。在两张玻璃中间加入一种介于固态和液态之间叫液晶的物质,玻璃间加上电压后,可以控制分子的排列变化及曲折变化,从而控制穿过玻璃的光线多少,达到再现画面的目的。
2000年,有线数字广播电视在日本正式运营。 采用通信卫星(CS)进行观看电视的用户都可以通过有线数字广播电视进行实现,有线数字广播电视全部采 用光纤进行数字化改造,在装置设备当中还使用到天线等进行电视频道设定,并且所使用的改造费用还由国家全部承担,402万用户共花费1800亿日元。名古屋市东京大阪从2003年12月1日起正式使用有线数字广播电视播出节目,2011年在全国范围内实现有线数字广播电视的全部转化,辐射用户范围达到4200万余户。
2008年,日立制作所数字映像(中国)有限公司推出了在中国市场上最薄的平板电视,该系列三款液晶电视,厚度仅为3.5厘米。据悉,该公司还将在明年向中国市场推出50英寸的超薄等离子电视。日本胜利公司近日也宣布,将在近期推出两款LCD高清电视,最薄处为3.9厘米。同时期,国产彩电厂商也在“轻薄”上加大投入力量。同月,海信集团有限公司宣布自主研发的42英寸液晶电视批量上市。其产品整机厚度5.5厘米,仅有普通液晶电视的一半。
2011年8月,创维集团推出了全球首款云电视。这款产品创先搭载了云平台和智能Android操作系统,在电视上实现云空间、云服务、云社区、云浏览、云搜索、云应用等多种云端个性化应用,并能随时同手机、平板电脑等移动设备互联互动,云端服务器为后台进行数据处理和资源整合,让用户可以随时随地分享各种视频、照片、资料。
2014年,世界首款105寸曲面UHD电视由三星电子推出。首次亮相于2014年1月7日拉斯维加斯举办的2014国际消费类电子产品展览会上,同时三星电子率先推出全球市场化的曲面UHD电视品线,发布了2014最新曲面电视和UHD电视阵容。
发展趋势
非常有希望成为下一代显示标准的技术,当属OLED(OrganicLight Emitting Display),即有机发光二极管。OLED属于主动发光,其正极是一个薄而透明的锡氧化物(ITO),阴极为金属组合物,而将有机材料层(包括电洞传输层、发光层、电子传输层等)包夹在其中,形成一个“三明治”。接通电流,正极的电洞与阴极的电荷就会在发光层中结合,产生光亮。根据包夹在其中的有机材料的不同,会发出不同颜色的光。OLED电视具有厚度薄、对比度高、色彩丰富、分辨率高、视角宽广等特点。
OLED显示技术拥有响应速度快、原生对比度高、可视角度大、可弯曲、超薄等多种优点,解决了很多LCD液晶技术的顽疾,因此被业内人士称为“下一代显示技术”。不少追求高画质的用户都选择了OLED电视。
OLED在画面显示方面有诸多优势,但是制程良品率不高,造成高价格,还存在寿命比液晶短、烧屏现象等缺陷。随着这些问题的解决和OLED技术的成熟,其成本不断下降,再过5年的时间,OLED电视将占据50%左右的市场份额。
液晶电视显然已经进入了瓶颈期。在改善画面质量方面,量子点膜能提高色域范围,给液晶电视带来更优秀的表现,也让液晶电视在与OLED电视的竞争中重新拥有了一些优势。随着量子点膜和液晶面板成本的降低,促进了QLED电视的价格下降,QLED电视出货量在2018年达到200万台左右,平均尺寸突破了60英寸。QLED将随着OLED的崛起而消失。
随着屏幕尺寸的越来越大,高清晰度的画质是电视机的一个重要追求目标。无论是LCD还是OLED,都在朝着高清晰度的4K、8K方向发展。2018年全球4K液晶电视面板出货量达到1.1亿片,市场占有率正好超过一半。到2020年全球8K电视出货量将达到189万台,2022年将达到541万台。
专利申请
贝尔德申请
随着1875年电话发明以及无线电和电影技术的发展,很多科技人员着手研究图像传送技术,想应用最新科技成果,对静止或活动的景物、影像进行光电转换,并将电信号传送出去使其他地方能即时重现画面。首先发明和实现这样电视系统的是英国工程师J.L.贝尔德(JohnLogieBaird)。贝尔德于1923年7月26日向英国专利局申请了名称为“通过有线或无线电波通信方式,传送图像、肖像和场景的系统”,并于1924年10月9日获得授权,专利号为GB222604。该系统与其说是电子式的还不如说是机械式的。它是基于德国柏林的俄裔德国人P·尼普可夫(PaulNiphow)。名称为“电子望远镜”的1884年的德国DE30105号专利,“电子望远镜”包括两个相同的旋转盘,一个设于发送机上,另一个设于接收机上。每个盘有24个方孔,还有传输图像的光电管。它出于这样的运动图像的构思,即一系列静止图像变换得足够快的时候,就会在视觉上产生活动画面的效果。但是,由于技术上原因,该专利并未实施。
贝尔德上述专利提示了一种传送图像、肖像和场景的方法和系统,将景物的每一区域接连地投射到光敏元件上,并且接收机利用该光敏元件引起的电流变化点亮设置成屏幕的一系列小灯,在屏幕上这些小灯变化的照明度形成了再现原画面。下面结合附图和实施例进一步说明该发明:要传送的场景或目标A通过一透镜B聚焦在旋转盘D上,形成成像C,该盘D上穿有一系列按螺旋线排列的小孔。成像C可以是1英×1英吋的,盘上的孔直径可以是1/18英吋(或1/32英吋)。这些孔圆周地分布约1英吋,第2孔比第1孔离中心近1/18英吋(或1/32英吋),第3个孔比第2个孔离中心近1/18英吋(或1/32英吋),以此类推直到第18个孔(或第32个孔),以致于在盘D转动时,要输送的画面的每个部分接连地通过一个1/18英吋的孔(或1/32英吋的孔)。在盘的后面有一个光敏元件E,通过穿孔M不同的光照到该光敏元件上,导致从电池F流过光敏元件电流变化,并该变化电流经过诸如热离子真空管等放小后,通过导线或元件输送到无线电接收机,接收机装有一个与发送机的盘D完全同步旋转的臂G,该臂端头有电刷并与一系列触头H相通,每个触头与一个小灯相连接,而这些灯以行列排列形成一个屏幕K。每个孔扫过画面的一个条带,并在接收屏上通过一列灯将条带再现,这样每孔有其相应的列的灯与其对应,可使用很多灯,灯越多再现画面越好。如果相应瞬时孔对着画面明亮部分,灯会很亮;如果那瞬间孔对着画面黑的部分灯就会暗淡;屏幕上灯的不同明暗度再现了画面,由此构成一幅幅图像。
约翰·罗杰·贝尔德生于1888年。他曾在拉奇菲尔德高等学校、皇家技术学院和格拉斯哥小学学习,因第一次世界大战爆发而辍学。他是一个不成功的商人,开始投入研究工作时,他很贫困,没有经费,他只好利用茶叶箱、饼干盒、导线、腊等废旧物品,自己动手做实验装置,连旋转盘都是用卡片纸板做的,画面从顶到底30线,每秒传输10次。
1924年,他成功地在几米范围内发射了马耳他十字小画面。1925年10月2日,他终于成功地使年轻勤杂人员威廉·台英顿(WillianTaynton)的脸出现在电视机上。他与百货公司签订了以电视传送表现获取酬金的合同,并不断地改进系统。
1928年,约翰·罗杰·贝尔德开始将其电视系统正式播送,并且开始研究和试验彩色电视。
1929年英国广播公司(BBC)与贝尔德签订许可合同,采用他的发明试验性播出电视。
1936年,BBC利用收音机,在世界上首次实现了定时电视广播。但是,贝尔德的电视采用机械式技术路线的局限性也显现出来了。尽管他作了很小努力,但是传送的画面质量一直存在问题,扫描精度受转动速度限制,图像清晰度不够,闪烁画面使观众头疼。在这一领域当时是很活跃的,在约翰·罗杰·贝尔德根据机械扫描原理从事电视系统研究时,美国的发明人在进行电子扫描的研究,力图采用另一种技术路线—电子式电视系统。
兹沃尔金
俄裔美国工程师弗拉基米尔·K·兹沃尔金(VladimirEworykin)J 1923年12月29日申请,于1938年12月20日才批准公布的US2141059专利,发明了显像管和摄像管技术以及电视系统,为电子式电视系统奠定了基础,尽管开始时电子式电视系统并不完善,效果还不如机械式的,但是,在兹沃尔金、美国无线公司和英国EMI公司等努力下,技术进步很快,如扫描线1929年为48线,1935年达到343线。
相关事件
电视开机率下降到不足三成
2024年5月,据某研究报告指出,在过去几年里,中国电视开机率已经从70%下降到了不足30%。一项有7.8万人参与的网络投票结果显示,近50%的人很久都不看一次电视。有网友表示,家里的电视都是老人在看,自己很少看电视。还有网友开玩笑称,不是电视不想开,是电视会员开不起。对于随时想要获取信息的年轻人来说,电视具有位置固定、单向传播等劣势。但是在屏幕尺寸、传播和交互等方面,依然保持一定优势。
参考资料
403 Forbidden.经济参考网.2023-11-25
403 Forbidden.新华网.2023-11-25
电视开机率下降到不足三成.新浪微博.2024-05-21
目录
概述
电视原理
工作原理
成像原理
电视系统
前台处理模块
数据输入处理模块
内存管理模块
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图形处理模块
微控制器模块
声音信号处理模块
时钟发生模块
电视制式
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专利申请
贝尔德申请
兹沃尔金
相关事件
电视开机率下降到不足三成
参考资料