电子稳像技术范文

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中图分类号：TN91934; TP391文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)06012704

CCD imaging space correction based on electronic image stabilization technology

MA Xinru, ZOU Lixin, TANG Rongsheng, GU Jihua, XU Tingting, YIN Nan

(School of Physics Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China)

Abstract： On the basis of the research on the phenomenon of image′s threecolor dislocation appeared in the application of the color linear arrary CCD, a CCD imaging space correction method based on the technology of electronic image stabilization is proposed. This method contains several key steps including the separation of colour images, the extraction of feature points, the matching of feature points, the estimation of location parameters and the compensation of images. The experimental results show that this method can solve CCD colour disorder and improve the image quality.

Keywords： colour linear array CCD; threecolour disorder; feature point extraction; feature point matching; parameter estimation

收稿日期：20110917近年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。面阵CCD广泛用于各种摄像机和数码相机等领域。线阵CCD主要用于产品尺寸的高速非接触检测，在线分级与加工，表面质量评定，机器视觉中的精确定位等。结合课题“运动员跑步计时器项目”，对彩色线阵CCD应用时，出现的成像三色错位的问题进行了研究。分析了问题产生的原因，介绍了目前常规的校正方法，提出了基于电子稳像技术的CCD成像空间校正方法。该方法引入电子稳像技术，有效地解决了CCD成像的三色错位问题，经Matlab仿真实验后，获得了理想的校正结果。而且该方法不仅在物体匀速运动时有效，在物体非匀速运动时同样有效。线阵CCD成像技术应用于运动员跑步的示意如图1所示。

1CCD成像介绍

多年前科研人员就已经实现了CCD彩色成像，该技术的实现目前一般采用如下2种方法。第1种是彩色三CCD，即采用分光棱镜和3个CCD组合。棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基色分开，使其分别投射在一个块CCD 上，这样，每块 CCD 就只对1种基色分量感光。第2种是彩色单CCD。最常用的做法就是在CCD表面覆盖RGB三色滤光片，以1∶2∶1的比例构成。由于彩色单CCD价格明显便宜，所以占据主流市场，本研究就是针对线阵彩色单CCD进行的。

图1线阵CCD成像技术应用于运动员跑步的示意图线阵彩色单CCD有3列间隔的光敏元件，分别用于感光置于同一位置P的红、绿、蓝颜色分量，通过A/D转换后,再将3列CCD感光的图像数据合成复原为位置P物体的数字图像。然而由于这3列CCD是在同一触发脉冲下工作的，这3列CCD并不是对同一位置进行感光,而是对前后有一定间隔的3个位置分别进行感光，如图2所示。由于这种相机本身存在不可避免的系统问题，成像3色出现错位现象，从而影响图像的成像质量，如图3所示。

图2成像三色错位的原理图3成像三色错位现象

课题“运动员跑步计时器项目”，需在跑道的终点线附近采用高速线阵彩色单CCD拍摄运动员冲刺时的画面。设定采集速率为1 000 f/s，得到的图像如图4所示。可以发现图像产生了3色错位现象，尤其是运动员的腿部，表现明显，因为腿部的运动频率最快。

图4线阵彩色单CCD拍摄的运动员跑步图像2基于电子稳像技术的校正方法

由线阵彩色单CCD摄像机的结构带来的这种彩色图像的三色错位,严重影响了图像原始数据的真实性和有效性，必须加以校正。目前，国内外有以下2种主要方法，通过异步时钟控制曝光校正［1］，通过软件校正［2］。比较以上方法可发现，软件校正不需要改变CCD的硬件，更具有实用性。数据冗余与数据重新定位的方法是软件校正的主要方法，但是，此种方法仅对匀速运动物体有效，而无法应用于线阵CCD拍摄、检测非匀速物体。本文针对非匀速物体的情形，提出了采用电子稳像思想来进行软件校正。传统思维上，电子稳像技术是处理帧间运动，而CCD的这种成像问题严格意义上属于帧内运动，但是，本文首先把线阵CCD拍摄的数十帧看做一幅图像，接着把一幅彩色图像分离成红色分量、绿色分量、蓝色分量3幅图像，通过上述两步骤后，即可将电子稳像技术应用于线阵CCD成像。

2.1彩色图像的R/G/B分离

通过Matlab平台，对一幅运动员的彩色图像进行R/G/B分离后的效果如图5所示。硬件环境为：CPU2.80 GHz，内存0.98 GB。

图5红色/绿色/蓝色分量图像2.2特征点提取

图像的特征点是指两帧图像中对比例、旋转、平移等变换保持一致性的特征，如线交叉点、物体边缘点、角点、闭区域的中心点等。常用的特征点提取方法［34］有：边缘点提取方法，如Log操作数、Canny操作数、基于小波变换的算法等；角点提取算法，如Kitchen法、SUSAN法、Harris法等。

Harris角点检测算法［5］是由Chris Harris和Mike Stephens在1988年提出的。定义下式来计算Harris算法的角点响应函数：R(x,y)=Det(M)－k(Tr(M))2(1) 式中:Det(M)=AB－C2，Tr(M)=A+B表示矩阵M的迹；k是Harris系数。A=(Ix)2，B=(Iy)2，C=(Ix)・(Iy)。Ix表示图像I在x方向的导数，Iy表示图像I在y方向的导数。Harris算法稳定性高，对噪声不敏感，基于它的优点，本文最终采用改进型Harris算法进行特征点的提取。

2.3特征点匹配

所谓特征点的匹配就是在当前帧中找到与参考帧中每一特征点的惟一匹配点，在帧间建立特征点的对应关系。特征点匹配的正确性，对于图像间运动估计的精度，有非常直接的影响。按图像的匹配来源分，主要可以分为2种方式［67］：一种是固定帧匹配；另一种是相邻帧匹配。这2种方法各有优缺点，固定帧匹配方法不存在累计误差，它的缺点是一旦图像的运动超出了运动向量计算的临界值，运动向量变得不可靠以后，后续的处理将非常困难，相邻帧匹配方法的主要问题是存在累计误差。

根据本课题所研究的线阵CCD成像问题的特殊性，可以把红色分量、绿色分量、蓝色分量作为3幅图像，进行特征点匹配。在具体匹配过程中选取红色分量图像为参考帧，依次对绿色分量图像、蓝色分量图像完成特征点匹配。

匹配步骤如下：

(1) 以特征点Pk为中心，在参考图像中构造一个尺寸为M×N的图像模块I1。

(2) 在当前图像中对应位置处，确定尺寸为（M+2P)×（N+2P）的搜索区域I2。其中P表示水平和垂直方向的最大偏移量。

(3) 从搜索区域的中心点开始搜索，搜索路径采用菱形DS法，计算每点的SAD值。

(4) 找出最小SAD值，则对应的位置的中心点为匹配特征点。

2.4三色错位参数估计

将经过预处理后的候选全局特征点，代入六参数仿射运动模型，求最小二乘解。仿射运动模型如下：x′

y′=m0m1

m3m4x

y+m2

m5(2)式中(x′,y′)和(x,y)分别表示当前图像和参考图像的特征点坐标，M= m0m3

m1m4

m2m5定义为仿射参数矩阵。

求解的目标是使得各特征点的位置误差达到最小，因此，提出了基于求最小二乘解的迭代步骤，每次迭代过程中将误差较大的特征点予以剔除。迭代停止后，输出的仿射参数矩阵M作为最终的全局运动参数，被保留的特征点作为最终的全局特征点集合。参数估计的整个流程图如图6所示。

图6参数估计流程图2.5图像的补偿

获得运动参数矩阵后，就可以分别对绿色分量图像、蓝色分量图像进行图像补偿了。其流程如图7所示。

图7图像补偿流程图将绿色分量图像看做当前帧，以计算出的待补偿参数矩阵对当前帧fk的像素坐标(xk,yk)进行变换，公式如下：xk′

yk′=m0(k)m1(k)

m3(k)m4(k)xk

yk+m2(k)

m5(k)(3)从而得到新的坐标(xk′,yk′)，并将原坐标的像素值赋给对应的新坐标，则得到初步的补偿后图像。在坐标变换时，不一定都在整像素点上，则需要进行插值处理，采用双线性插值法。由于在坐标变换时，边界部分无法获得像素值的区域通常被填充为黑色区域，为了避免这种现象，需要对丢失的边界部分进行重建。采用图像拼接技术［8］来实现边界部分重建是一种有效的方法。

完成绿色分量图像的图像补偿后，再以相同步骤完成蓝色分量图像的图像补偿，最终合成［910］校正后的彩色图像。

3实验结果及分析

3.1特征点提取的实验结果及分析

本课题采用改进型Harris算法，通过Matlab平台对运动员的图像进行特征点提取，经过多次比较后，仿真实验中的Harris系数k取0.05，仿真实验结果如图8所示。可以看出，采用改进的Harris算法提取的图像特征点清晰有效。

图8图像的特征点提取结果3.2特征点匹配的实验结果及分析

选取运动员的红色分量图像为参考帧，绿色分量图像为当前帧，进行第一次匹配，匹配结果如图9所示。

图9绿色分量图像的特征点匹配结果其中绿色“+”代表有效匹配特征点，可以看出，运动员的多数特征点得到了有效匹配。

依然选取运动员的红色分量图像为参考帧，蓝色分量图像为当前帧，进行第2次匹配，匹配结果如图10所示。

图10蓝色分量图像的特征点匹配结果其中绿色“+”代表有效匹配特征点，依然可以看出，多数特征点得到了有效匹配。

3.3参数估计的实验结果及分析

实验图片依然选用同上的一组运动员图像，求取仿射参数矩阵M=m03

m1m4

m2m5。分别求出绿色分量图像和蓝色分量图像的结果为：M绿0.990 50.032 3

-0.021 10.987 4

15.587 0-3.667 6

M蓝=0.987 80.035 0

-0.022 30.986 8

15.567 8-3.669 43.4校正后的实验结果及分析

根据运动参数矩阵，分别对绿色分量图像，蓝色分量图像进行图像补偿，并合成彩色图像。可以发现，校正后图像的3色错位问题得到一定解决，图像质量有一定提高。校正结果如图11所示。

4结语

本课题研究了线阵彩色单CCD成像时出现的3色错位现象，揭示了3色错位的本质原因，并探索性的给出了基于电子稳像技术的软件校正方法。在Matlab平台上，进行了仿真实验，初步得到了满意的校正效果。将该方法应用于“运动员跑步计时器项目”，能获得更优的监控图像，从而提高计时精度。

图11图像最终校正结果参考文献

［1］张鹏，杨凯，张忠臣.彩色线阵CCD颜色几何失真及校正方法［J］.现代电子技术，2009,32(24):131133.

［2］陈文涛,刘永贵,曹晓莉.平列式线阵彩色CCD摄像机的色彩偏移与校正［J］.光电技术应用，2006(9):478450.

［3］VANNE J, HAMALAINEN T D, KUUSILINNA K. A parallel memory system for variable blocksize motionestimation algorithms \[J\]. Circuits and Systems for Video Technology, 2008, 18(4): 538543.

［4］SUN Hui. Fast gray projection algorithm and its application to electronic image stabilization \[J\]. Optics and Precision Engineering, 2007, 15(3): 412416.

［5］朱娟娟.电子稳像理论及其应用研究［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［6］SUK Jung Youp, LEE GunWoo. New electronic digital image stabilization algorithm in wavelet transform domain \[M\]. LNCS, Heidelberg: Springer, 2005: 911916.

［7］ERTURK S. Digital image stabilization with sub image phasecorrelation based global motion estimation \[J\]. IEEE Trans. on Consumer Electronics, 2003, 49(4): 13201325.

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一、前言

电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。经过50年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自20世纪80年代，柔流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。

二、电力电子技术的应用

自20世纪80年代，柔流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

(一)在发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

1大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

2水力、风力发电机的变速恒频励磁

水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速便随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

3发电厂风机水泵的变频调速

发电厂的厂用电率平均为8％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65％，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

(二)在输电环节中的应用

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

1直流输电(HVDC)和轻型直流输电(HVDCLight)技术

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

2柔流输电(FACTS)技术

FACTS技术的概念问世干20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。

(三)在配电环节中的应用

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(customPower)技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期DFACTS设备产品将进入快速发展期。

(四)在节能环节的运用

1变负荷电动机调速运行

电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。

变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30％左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。

2减少无功损耗，提高功率因数

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二、项目教学法的实施步骤

1.创造情境，激发学生兴趣。

在教学中创建良好的教学环境，激发学生的学习兴趣。例如在课程的“组合逻辑电路设计”教学中，询问学生有没有献过血。通过此问题可以激发学生的好奇心，探究献血和所学知识的相关性；接着询问血型匹配知识。通过此问题调动大家探讨的积极性；最后提出能否利用所学知识设计一个血型匹配判断电路。通过前期的情境培养，使学生对“组合逻辑电路设计”知识产生浓厚的兴趣。

2.围绕主题，逐步深入。

学习了典型的时序集成电路后，为了进一步加深学生对集成电路的理解和应用，继而引导学生作进一步讨论：能否用现有知识设计数字电子钟？数字电子钟的设计包含哪些模块？学生对数字电子钟比较熟悉，能够确定数字电子钟需要实现哪些功能。学生通过研究和讨论，设计出数字电子钟的总体结构图。数字电子钟的模块包括：秒脉冲信号产生、计数、译码、校时和显示等基本模块，利用Multisim仿真软件实现各电路模块的独立调试和仿真，再进行系统的级联调试。在此过程中，教师应引导学生思考数字电子钟的关键问题：秒脉冲信号如何产生？时计数电路，即二十四进制计数电路如何设计与实现？分、秒计数电路，即六十进制计数电路如何设计与实现？时（分、秒）译码电路如何设计与实现？时（分、秒）显示电路如何设计与实现？怎样实现对时、分的校准。

3.模块化设计，团队合作。

基本设计思路确定以后，进入项目的实施阶段。在对学生进行分组时，应从多个方面考虑团队成员的组合，如知识结构、特长、性格等。确定了小组成员后，明确每位同学职责。项目负责人将项目任务模块化，负责项目的整体组织和协调，确保项目有条不紊地开展；成员两人一组完成子模块的设计与调试；最后以小组为单位，梳理项目，由项目负责人组织编写和完善所有项目文档和报告。在项目的设计过程中，学生参考他人的设计及实现方法时，主要是学习他人的设计方法，如编码、接口和电路的工作原理，而不是原封不动地使用他人的电路。在项目的方案论证过程中，鼓励学生开展讨论。学生可以通过提方案、相互补充和正反对比等多种探讨思路，对所拟定的方案进行仿真或试验验证。教师在这一环节中力求全面把握学生动向，主动获取学生设计过程中的认知错误，加以指导。最后学生可以得出电子钟每一子模块的设计内容。数字电子钟的第一部分是时间基准，即时钟。学生通过查阅资料发现，为了获得可能的最高精度，时钟电路选择比较常见的32.768kHz的晶振，而32768是2的15次方，所以对这种晶振进行15次分频的话，就可以得到准确稳定的1Hz的标准时钟信号。数字电子钟的第二部分是秒计数器。秒计数器的工作原理为：给其装载一个初始值并执行减计数至零。当计数到达零时，产生一个时钟脉冲并将其传递给分计数器。在这里，装载的初始值根据需要设定的时间和时钟基准信号来计算，若时钟基准信号为1Hz，则60s的设定时间所需的初始值为60，若时钟基准信号为2Hz，则60s的设定时间所需的初始值为120。也就是说，装载的初始值等于需要设定的时间乘以时钟基准信号。数字电子钟的第三部分是分计数器，它实现分的计数和显示，且进行小时比较。每当秒计数器减至零时，分计数器加1。电路需包含一个比较电路的8位计数器，以实现分的复位并使小时计数器加1。通过仿真，学生发现，为了保证LED显示的正确性，当复位为零时，设置显示值为59。数字电子钟的第四部分是时计数器，当分计数器计数到60时，小时计数器加1。在计数器的设计过程中，学生最容易忽略计数器的工作特性，在仿真时就会出现问题。例如，在电子钟设计中计数器选用74LS193时，就要考虑其工作特性，在分计数器的值小于而不是等于60的那一个时刻加1。这样做可以避免使用额外的逻辑运算，来使比较器的输出转化为小时计数器的输入时钟脉冲。小时计数器电路中也应该包含一个比较器，用以检测当前值是否为12（电子钟小时显示为12进制），如果是，立即将小时计数器复位。

4.总结问题，共同研讨。

在项目教学实施的过程中，教师在做到整体掌握、全程引导的同时，还要尊重学生的设计，协助学生解决遇到的难题。如学生在校时电路的设计中遇到了如下问题：校时电路的开关在接通和断开时均存在抖动问题，使电路无法正常工作。这时学生在教师的鼓励、引导下查阅资料，了解到常用的消除抖动的方法：软实现（编程实现）、硬件实现。软实现即处理器查询或者监视开关的状态，当开关在规定时间内没有改变状态时，即认为开关已经不再抖动。常用的硬件去抖动的方法有：（1）使用施密特触发器电路；（2）使用CMOS555定时器；（3）基本RS锁存器电路。利用施密特触发器电路消除抖动时，应确保施密特触发器的门限电压尽可能小，以保证能被电容上的电压触发；当开关存在很多抖动时，最好的方法是采用CMOS555定时器构建单稳态电路来消除抖动。当开关按下时，555定时器可以输出一个稳定的脉冲信号，代替开关来触发实际；利用基本RS锁存器电路，将锁存器的S端接开关输入，R端接应用电路，将开关的状态锁存，当操作完成后取消锁存。学生可以分组，应用不同的方法消除抖动，比较去抖动的效果，确定最佳方案。学生通过查阅资料，不仅解决了设计中遇到的问题，同时也发散了思维，扩展了知识面。

5.时序仿真，实现目标。

学生通过原理图设计，得到了秒脉冲信号、二十四进制计数器、六十进制计数器，通过仿真可以得到其时序图，引导学生总结利用集成计数器芯片实现其他进制计数器的方法，最后通过级联实现数字钟的设计和仿真。每个小组实现项目设计后，教师应对学生作品进行评价，项目组负责人应向全班汇报并展示本组设计的作品，列举在项目实施过程中遇到的问题及解决方案。

6.拓展项目，鼓励创新。

在学生实现了项目任务时，教师可以引导学生进行项目的拓展，增强学生的灵活应用能力和创新能力。鼓励学生进行讨论，如现在市场上的电子钟定时有何特点，学生自身对定时功能有何要求等。学生可以通过提方案、互相补充、多方面对比等探讨过程，实现电子钟个性化定时的设计。在这一过程中，学生不仅学会思维探索，而且提高了对知识的理解记忆，为课程学习打下了坚实基础。不要局限于一套设计方案。在系统设计前，将学生分组，要求每组同学采用不同的方法达到设计目的。例如用数字电路设计一个闪烁式LED时序电路，在设计时序发生器时可以采用以下几种方法：（1）555定时器；（2）慢时钟；（3）快时钟，通过计数器来分频。

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电视技术自诞生以来，经过几十年的发展，已经取得了很大的进步：制作技术上，从摄影机到磁带摄像机，从复合信号到分量信号；传输技术上，从开路地面传输到有线电缆传输再到卫星传输，然而，直到本世纪九十年代，信号的传输和处理都是仿真性质的。模拟电视存在许多难以克服的缺陷，主要表现在：

•回波反射在地面广播中，由于周围的建筑物和山脉等会对电视信号产生多径反射，从而导致接收机出现画面重影现象，影响收看效果。

•保存困难模拟电视节目存储在磁带媒体上，由于磁带对存储环境的温度、湿度要求较严格，因此，长期存放和使用磨损都会对磁带造成物理损伤，如掉磁粉、磁带变形等，严重影响重放的图像质量。

•顺序存储介质限制磁带是顺序存储介质，这种顺时序性质，决定模拟信号的编辑过程只能是线性低效的。

•噪声积累由于模拟电视信号在传输和存储过程中会受到各种干扰和引入各种噪声，经多次传输或复制后，噪声积累，使图像质量不断下降。

•对传输信道有严格要求模拟电视信号传输过程中，由于传输信道的特性并非总是十分理想，因此会导致电视信号的线性失真和非线性失真。线性失真是由于传输系统的振幅频率特性和相位频率特性不理想所致，它将使电视信号的高频部分产生衰减，降低图像的清晰度和产生细节模糊。同时，还会导致色度信号的增益、延时与亮度信号不一致，严重时会完全改变颜色；非线性失真对电视信号的亮度信号和同步信号都有影响，尤其是影响彩色的饱和度和色调。同时，还存在微分相位失真、微分增益失真。

•其它缺陷模拟电视的其它缺陷包括：亮度互扰，行间闪烁，爬行，大面积闪烁等。

模拟电视的这些缺陷是其自身无法克服的，只有使用数字技术才能彻底改观。由于大规模集成电路技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，信息技术已进入了数字化时代。所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录。数字电视从节目制作到信息的接收和显示，其工作过程及原理与模拟电视大相径庭。所不同的是它采用数字化处理、传输、接收和显示信息。

在电视技术中采用数字技术不仅能改进图像质量，更重要的是能与现有的数字通信和计算机技术相结合，能为人们提供全新的、更灵活、更方便的服务。这一点在迅速发展的信息社会中非常重要。数字化电视信号具有如下主要优点：

•多次中继或复制后不会产生噪声积累，适用于远距离多次中继传输或反复编辑和复制。

•清晰度高，使用部首传输、转播音响，在接收端有望达到演播室水平；

•音频效果好，可支持五声道加超重低音声道的5+1环绕声家庭影院；

•可采用纠错编码技术，提高抗干扰能力，同等传输条件下的抗干扰能力优于模拟电视；

•可充分使用压缩编码技术压缩其资料率，降低数码率或存储空间。占用频道较窄，地面广播时，原PAL频道可播放高清晰度电视或四套标准格式数字电视，有线电视网中的一个PAL频道可播送8~10套标准数字电视；

•保留了现有模拟电视画面格式，普通电视机前加装数字电视机顶盒即可接收数字电视节目；

•易于实现加密和保密通讯；

•可采用大规模集成电路，降低功耗，减小体积，可靠性高，调试维护易，大规模生产时可大幅降低成本；

•电视信号可以通过现有的公共电信数字传输网络传送，电视广播网络的数字化为提供其它资料业务创造了条件，继而为广播网络连接其它网络，以及视频业务融入统一的信息基础设施NII开辟了道路。

正是由于这些优势，使数字电视取代模拟电视成为必然。数字电视淘汰模拟电视，如同数字大哥大将最终淘汰模拟大哥大一样。电视终将进入数字化时代，数字电视将成为新一代电视的代名词，很快，我们将把“数字电视”只称为“电视”。一场电视革命的序幕就此拉开。

本文将电视技术分为制作和传送两大类，分别讨论数字化技术带来的变化及其发展趋势，并对相应技术发展可能对电视传播活动及社会造成的影响作出预测。

壹、数字技术在电视节目制作技术中的发展及其对传播活动的影响

自从1956年美国安培公司开发成功世界上第一台四磁头两英寸磁带录象机以来，在40多年短暂的历史中，视频技术发展日新月异。信号处理方式从复合到分量；设备装置从大到小，从摄录分开到摄录一体，现在又正经历着一场新的革命，这场革命是由数字化技术驱动的。80年代开始出现的多媒体技术，使得人们通过计算机可以不受不同媒体差异的限制，综合处理图像、声音、资料、文字等多种信息，从90年代开始与电视节目制作技术相融合，极大地丰富了视频节目制作手段，传统的制作方式不断被全新的、充满创造活力的制作方式所代替。视频节目制作技术采用计算机和专用视频设备使视频图像的创作和编辑得以大大简化，降低了制作成本，扩大了需要进行视频图像处理与创作的用户范围，并将对视频行业的现有结构产生深远的影响。

一、非线性编辑系统将取代线性编辑改变节目制作及播出方式

非

二、虚拟演播室技术极大地提高节目的信息量和娱乐性

典型的虚拟演播室系统是由摄像设备、摄像机位置参数分析及控制、图形计算机、背景素材库和图像合成等设备组成，如下图所示。具体的工作过程是：演员由一台前景摄像机（真实摄像机）拍摄，而如图所示的背景图像记录及生成系统（图形计算机和背景素材库）称为虚拟摄像机。真实的和虚拟的两台摄像机，在虚拟演播室

技术中始终是锁定的。真实摄像机的位置参数，包括摄像机在演播室中的物理位置，摄像机的倾斜、转动甚至翻转的资料，以及摄像机镜头的焦距和聚焦设置，所有这些参数都将在计算机中进行分析，相应于前景图像的背景图像的控制随即完成。然后，前景图像（包括演员和真实场景）以及计算机生产的背景图像在色健控制器中无缝地合成。输出的图像可以直接播出或记录在存储媒体上。真实摄像机数字化图像合成直接播出

（前景）视频延时（色健控制）或记录

摄像机位置图形计算机

分析与控制（背景）

素材库

（背景）

虚拟摄像机

在虚拟演播室中，需要对虚拟场景中所有物体进行建模，即设计物体的外形和尺寸等。这与计算机辅助设计（CAD）很相似。在这些步骤完成后，才能利用来自摄像机传感器的资料或图像分析后得到的数据建立虚拟摄像机，用虚拟摄像机来实时生成场景。在实施播出或播出预先记录的节目时，色健控制器中的跟踪以及图像合成都必须实时完成。这样，场景的生成必须达到每秒50场的速度，需要像SGIOnxy一类的高级图像工作站才能完成。目前成本相当可观。但随着PC性能的提高，这种情况有望得到改善。从近年来的NAB展览会上可以看到虚拟演播室技术正在走向成熟，许多厂家展示了虚拟演播室从制作、快速反应到最终播出效果上的优势。同时稳定性和可靠性也有明显改善。产品已形成系列化，构成低、中、高三个档次，分别适用于不同的使用范围。

虚拟演播室技术的出现，一方面是因为计算机技术的发展为其奠定了基础，另一方面不可忽视的因素就是节目的需求。随着近年来电视频道数显著的加速增加，频道间的竞争日益激烈，电视节目制作人员必须考虑如何在更短的时间内用更少的资金制作更好的、更多的电视节目。同时电视观众对电视节目的欣赏口味不断提高，一个总的趋势是要求新闻节目更“实”更“新”，娱乐节目更“虚”更“玄”。需求是发展的动力，在这种资金投入少、节目产出又多、又好的要求下，虚拟演播室技术的诞生和发展可谓是顺应了历史潮流，因而，这种技术一旦诞生就得到了视频界的认可，迅猛发展起来。

虚拟演播室技术的产生，反过来又极大地促进了电视节目的发展。运用虚拟演播室技术，演播室的场景、道具将越来越多地用计算机图形的形式产生。由于场景的设计不再是只能用实物搭成而是用软件构成，艺术表达上的自由度就大大增加。它将平面的抠像技术扩展到了三维空间。制作人员通过计算机辅助设计软件可以将以前的想象变为现实。比如，可以在计算机上模仿设置灯光并根据需要改变；可以很容易地修改计算机里生成的图像中的结构、颜色和文本；可通过按下一个按钮来重建场景；可以将小演播室扩展成很大的演播室等等。虚拟演播室的优点在新闻、定期采访、娱乐、体育、音乐和少儿等节目制作上表现得尤为明显。虚拟演播室技术的使用和普及，对广播界来说，可以节省节目制作的成本和时间，提高演播室效率；对电视节目制作人员来说，可以摆脱时间、空间及道具制作等方面的限制，在广泛的想象空间中进行自由创作；对广大电视观众来说则大大提高了信息量和娱乐性。

今天的虚拟演播室技术还在完善之中，目前在虚拟演播室里使用更复杂的场景和道具的制作时还难以满足实时播出的要求，同时，目前还没有一个摄像机跟踪装置能够简便地适合多功能演播室，许可足够多的创作自由度。此外，尽管色健控制技术在近年有了改善，但仍然需要努力改进以从前景中去掉不希望有的那些偏色；虚拟演播室的价格性能比也有待于进一步提高。但是，瑕不掩瑜，虚拟演播室技术作为一种新兴的电视制作技术必将在未来的影视制作过程中发挥更大的作用，创造出更多为老百姓津津乐道的精彩节目。

貳、数字技术在电视传送技术中的发展及其对传播活动的影响

将数字技术应用于电视传送技术中的构想可追溯到本世纪40年代末，1948年就已有人提出了将电视信号数字化的问题，但直到1982年才有德国ITT集团研制成了PAL制电视接收机的一套电视信号数字处理芯片。1988年10月，CCITT制定了H．261数字视频压缩标准，开创了数字电视技术的新时代。1991年和1993年国际标准化组织又分别制定了JPEG、MPEG-1和MPEG-2数字视频压缩标准。

美国开播卫星直播数字电视后没有制定相应的标准。欧洲则于1993年9月从联合尤里卡EU-95计画（模拟分量MAC过渡到HDTV）转向数字视频广播（DVB）项目。参加DVB集团的包括了从电视制作到传送各个环节的25个国家的200家公司与组织。DVB的卫星广播（DVB-S）、有线电视（DVB-C）与地面广播（DVB-T）的技术标准都已制定完毕，并均以MPEG-2为基础，相应业务也在许多国家开通。短短几年时间，已从标准化进入商品化，实用化和产品化阶段，并以惊人的速度发展。

一、数字卫星直播电视如火如荼

二、有线电视向有线通信电视转化

视频业务音频业务资料业务话音业务

模数调多音单双可个电

拟字频路乐向向视人话

节节广数点分分电通通

目目播字播配配话信信

音式式

频

多加单双图本网本入网入路解向向文地内地Internet内公模扰分分广信通信通用

拟节配配播息信息信电

节目式式发查信

目布询网

非实电视游其逆全

实时话频戏他程程

时点点点点家图图

点播播播播庭文文

播业

务

从上图可见，未来的有线通信电视网络除了传统的视频业务外，还可实现音频业务、资料业务和话音业务三大类功能，各种业务均可实现双向服务，能够极大地满足人的信息需求。有线通信电视网不仅是有线电视技术发展的必然趋势，符合电视技术发展的自然规律，而且也是电视媒体因应新的网络媒体挑战的必由之路。

目前，有线电视网的综合利用是有线通信电视阶段技术发展的热点。从国外发展规律来看，综合利用首先是从准视频点播开始的，然后再发展电话和数据传输。有线电视网综合利用在世界上有些项目已有成功的应用，如电缆电话、电缆游戏等。特别在电缆电话方面，美欧的不少电话公司已经完成了电缆电话实验。一些有名的通信专业设备公司已经开始生产有线电视中的通信设备，如AT&T、摩托罗拉、贝尔等。从目前的造价来看，电缆电话的造价已接近普通电话的双绞线传输方式，随着电缆电话的普及，普通电话在价格上和功能上肯定将无法与电缆电话相比。另外，不少综合利用的软件开始推向市场，如微软、IDS等公司。不少有线电视网络设备厂家在综合利用的实验中也扮演了积极的角色，如同通用顺材、科学亚特兰大等。有不少计算机厂家和通信专业厂家，如SGI、HP、AT&

amp;T、贝尔、摩托罗拉、阿尔卡特等也跻身于这一行业。所有这些大公司努力的目标都是要将有线电视网作为进入“信息高速公路”的最后接入网，有线通信电视前途一片光明。

三、地面无线数字电视有了突破性进展

首先,电视的传播方式趋向多元化发展。现有的传播模式由于其不可替代的第一时间传播优势及权威优势会在相当长的时间内继续存在下去，与此同时，新的，与现有模式互补的模式将会出现。如果我们把现有电视传播模式看作是瀑布式的传播模式，那么，新的传播模式可以描绘成会员式的模式。在这种新的模式中，人们梦寐以求的电视信息传播由单向传播变为双向传播成为真正的可能。

传播学者的研究表明,人际传播与大众媒介传播各有长短,都不是最完美的传播方式。人际传播过程中，由于人体全部的感官（视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉）都可能要接受刺激，传播双方在这种全身活动上建立起的面对面的传播关系比大众传播可以更完整、更有效地传递信息，信息迅速交换的机会多，来往传递容易，获得反馈的机会多。人际传播的弱点是复制能力和信息保存能力差，传播覆盖面有限，无法满足工业社会的信息需求。大众传播拥有更好的复制、保存能力，传播迅速、有效，因而更能适应大众社会的普遍需要。但受到传统传播技术手段限制,在传播的反馈、传播速度控制、满足特别需要的能力等方面不尽人意。信息高速公路上的电视传播结合了大众传播和人际传播的优点。它既可以继续大众传播大范围传播的优势，满足社会的普遍需要，又可以兼顾人际传播的特点，满足个人的特别信息要求。

新的传播模式中，电视的顺时序传播限制将不复存在。数字化的随机存取特性，使人们再也不必陷入被动的等、换、弃的收看方式，而是拥有更多的选择，通过流览器设置菜单，受众能够随时方便地调看需要的信息，也可以点播自己喜爱的节目。电视的时间版面消失了，人们可以像流览报纸一样，按自己的兴趣和爱好流览电视。不仅如此,电视还将具有“超媒体”功能，使传受方式更接近于人的思维方式。所谓“超媒体”，是“超文本”（hypertext）的延伸，超文本这个词指的是互联程度很高的文字叙述，或具有内在联系的信息。在印刷报刊中，信息量受书籍本身的物理性质所限定，而人的思维却是非线性、跳跃性的。在阅读过程中，我们总会联想到一连串的疑问，由于版面的限制，总有太多疑问无从获得答案。这种现象在受时间限制的电视接收过程中表现更为突出。“网络电视”的情况却完全不同，网络空间是无限的，要表达一连串想法，可以通过一组多维指针（pointer）来进一步解释、引申或辩明。阅读者可以选择激活某一消息的解释、引申部分，也可以完全不予理睬。整个文字结构仿佛是一个复杂的分子模型。句子可以扩张，字词可以当场给出定义，各种观点都可以被打开，从多种不同的层面予以详尽分析。此外，电视还能提供一种双向开放信息流通方式，者与使用者之间可以实时直接交流信息，当然，这种双向交流的最终实施程度，还受到许多因素的制约。比如，面对众多的信息接受者的反馈信息，者是否有精力和时间一一处理等等。但毕竟，技术上的可能性，使得双方的互相反馈有了极大程度的提高。

其次,电视信息传播的范围和时效将得到进一步大幅度的提高。信息高速公路将使电视信息传播不受时间、地点、频道、国界、气候等影响，只要网“撒”到哪里，网上的信息就通向哪里，并且可时时更新内容。这将有利于提高世界信息的传播速度，促进远隔重洋的各民族科技文化的及时交流。媒体在参与本地竞争的同时，不得不面向全球去拓宽生存空间，国际传播成为未来传播业的发展方向。

第三,电视与其它传统新闻传媒的界限日益模糊。尼葛洛庞帝在他的《数字化生存》一书中指出：“多媒体领域真正的前进方向，是随心所欲地从一种媒介转换到另一种媒介”。多媒体综合了报纸、广播、电视等大众媒体的功能，将文字、声音、图像、动画等要素结合起来，给信息使用者以全方位的、多维的信息，并且可以根据自己的需要选择接受的形式。光纤信道和网络技术协议能将电视网、电话网和计算机网三网合一，使三大传统媒介开始走向高度的综合，网络和服务分开运作是未来的趋势。最后，也许媒介的区别会演变为专业数据库的专业区别,接受媒介的形式却由用户根据需要来选择。随着受者可选择资源的急速增加，传者的控制地位日益失落。但是,可选择资源的鱼目混珠状况,也将使日益忙碌的人们陷入无所适从的境地,因而,主频道将仍然是人们信息的主选来源,而主体媒体的权威确立，不再由政府行为来左右，更多地将取决于自身良好的过往纪录。媒体必须有更强的责任感，必须更加谨慎地核对信息来源的准确性以赢得受众的信赖。

数字化使传送质量大幅度提高，信息的品质得到优化；数字化使电视频道显著增加，将进一步促使电视节目从广播向窄播发展；数字化使传播方式从单向传送向双向甚至多向传送转化，促使了传播互动和多项业务的实现。数字化技术及其发展必须引起电视传播从业人员高度重视和积极参与

篇5

项目教学法一般建立在建构主义学习理论基础上，为达到教学目的由学生和教师通过共同完成一个完整项目，通过项目完成情况来实现教学目的.可以说项目教学法既是一种教学方法又是一种课程体系新模式.

1.2项目教学法的特点、优点

项目教学法与其他教学方法相比较根本特点在于以项目为主线，教师为主导，学生为主体.教师满堂灌的传统教学方法得到改变，创造了一种学生主动参与、自主协助与探究创新的新型教学模式.项目教学法与传统教学方法相比，传统教学方法理论课多，实验课比较少，实验彼此独立的验证某个知识点，这样势必会使得学生理论知识与实践技能不能较好的融合，教学效果差.项目教学法打破验证实验传统教学方法，从项目入手，通过学生思考、设计、制作、讨论，再结合教师对项目讲解与指导，学生完成作品，从这个过程中学习新知识，为完成某个功能而结合与运用知识，收获成功喜悦.

1.3教学项目确立

教学项目的确立是在通过社会岗位需求、调查和专业培养目标的基础上，不断反复实践，让知识与技能的系统结合起来，形成了项目教学课程体系.教学项目要包含尽可能多教学知识点，紧密结合专业发展方向，并尽可能自然地结合以前所学过多项知识点.考虑到学生的实际水平，每个项目难易程度适中，在此项目基础上有弹性创新，学生的学习兴趣得到提高.担任项目教学教师在开展项目教学前做了充分准备，既要考虑专业发展方向又要考虑项目的趣味性，细分每个项目层次，融入细节，这样理论知识点与技能提高才不会相悖.项目的设计使学生们更容易掌握课程中的教学难点与重点，专业知识更加扎实.一般我们将每个项目分为项目介绍、项目理论知识、项目设计方案与分析、项目制作与调试、项目思考与项目报告等六个部分.项目介绍使同学明白项目目标与工作任务及应用范围，在听得过程中发散思维，拓展应用范围和技术改进.项目理论知识介绍，即将开展具体项目实施之前，教师可以引导学生学习新的知识点和提出一个项目设计方法.项目设计方案与分析部分，每个项目组学生分工合作，通过课余时间查找资料来完成系统框架，设计仿真.对于过程中的问题，教师与同学们听每组同学代表介绍，通过教师与项目组同学共同讨论，使学生成为项目的主角，完成项目理论设计并仿真，同学在提出方案到总结方案的过程中消化专业知识.接下来进行项目制作与调试，对同学们在项目完成过程中遇到问题，教师不断与同学检查、指导、沟通，使同学们对项目遇到问题思考、解决，完成项目.最后为巩固专业知识必须对项目提出改进措施，撰写项目报告书。

2项目教学方法的实施

模拟电子技术这门课与高等数学有很大区别，很多同学数学成绩不错，而学这门课觉得很难，关键在于他们把这门课当作一门纯理论课来学习，理论与实践不能结合，所以学好这门课，要求不仅要掌握较好的理论知识，而且还要把所学知识应用实践中去，并在实践环节不断发现问题、分析问题与解决问题，这样专业技能才能有较大的提升，所以我们在项目的实施过程中首先考虑将教科书改变为辅导书，实验室和图书馆为学习课堂，教师与学生探讨交流始终在项目完成过程.通过这些改变来实施具体设计的项目，提高学生理论与实践技能水平.

2.1制定项目实施计划

教师在实施教学项目前要深入研究这个项目所涉及的专业知识点与技能点，通过实践能将知识点融入到技能中，区分各个知识点之间的关系和彼此联系，促进学生解决学习与工作中遇到问题，培养创新能力.例如结合广播电视技术专业人才培养目标我们设计了———小功率调频发射机设计与制作项目，考虑到运用的知识点，我们把知识点划分为几个子项目：LC调频振荡电路设计、缓冲隔离级设计、功率激励设计、末级功放设计等，把这几个子项目合起来组成小功率调频发射机.每个子项目学生整理设计思路，仿真，制作.当然过程中会遇到问题但探讨中问题会得到解决思路.整个过程学生积极参加，动手动脑，互助互学，学习兴趣明显增强，知识点融会贯通，专业技能在过程中提高.

2.2项目实施计划

为了学生能实施项目目标，理论联系实际，充分利用实验室教学设备，实验室变成了课堂，学生学完新的知识点，可以边理论设计边动手实践，学生手脑并用，更快理解知识点.一个项目不是一两个知识点就能完成的，所以一个项目有很多分支组成，分支之间内容衔接紧密，知识点相互渗透，通过一个个分支子项目的完成，最后完成整个项目的学习.例如小功率调频发射机设计与制作项目，在所有的子项目中，提出项目要求，学生通过教师传授的知识点，通过分析、思考，然后查找资料相互探讨来设计或完成各个子项目任务，每个子项目完成后，由学生讲解设计电路原理，分享收获知识，总结本项目意义，通过总结找到自己项目不足.最后根据教师提出小功率调频发射机项目要求，学生将所学子项目联系起来，通过信息手段仿真，制作设计项目.在项目制作完成后，先由项目组学生介绍电路实现功能，分享自己所学会知识，通过总结使学生找到理论与实践的不足，在展示项目时，一部分学生可以很好实现设计功能，并有了好的创新思路，继续思考与完善.而另一部分可能会遇到一些问题，教师与学生一起分析问题，找到解决问题的办法.教师在整个项目完成过程中细心观察是不可缺少的，能发现学生优点与缺点，通过学生个性改变，增强与人沟通能力与团队合作精神，适合专业发展需要，使学生综合素质得到提高.最后书写项目报告，并做到规范化.

3项目考核与评价