[摘要]在了解電視信號(hào)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，如果采用視頻解碼芯片ADV7181B設(shè)計(jì)該視頻采集系統(tǒng)，就必須掌握視頻信號(hào)的相關(guān)理論知識(shí)。介紹視頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)、書信號(hào)的傳輸和顯示方式及模擬視頻信號(hào)與數(shù)字視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換等相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。

[關(guān)鍵詞]視頻信號(hào)采集系統(tǒng)數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TN2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—7597(2009)0210018－02

一、CCD攝像機(jī)介紹

視頻采集首先要通過攝像頭取得光學(xué)圖像，再經(jīng)圖像傳感器轉(zhuǎn)化為視頻數(shù)據(jù)。其中圖像傳感器是至關(guān)重要的元件，其功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)能再現(xiàn)入射的光學(xué)圖像。

電荷耦合器件CCD(charge Coupled Device)是七十年代發(fā)展起來的一種新型固體成像器件。CCD器件由光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移以及信號(hào)輸出幾個(gè)部分組成。MOS電容器是構(gòu)成CCD固體成像器件的基本單元。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，加上行、場(chǎng)同步等信息，變成標(biāo)準(zhǔn)全電視信號(hào)。

在本系統(tǒng)采用的彩色攝像機(jī)采用的是SONY CCD攝像頭，其分辨率為420線，電子快門、逆光補(bǔ)償，NTSC制式，可進(jìn)行自動(dòng)增益控制及自動(dòng)黑白平衡。

二、顯示掃描原理

1、逐行掃描。在對(duì)一幀畫面進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換的過程中，若掃描是一行一行從上到下依次進(jìn)行，則稱為逐行掃描，電子束沿水平方向的掃描稱為行掃描。逐行掃描存在一個(gè)問題：為了使顯示端顯示的電視圖像沒有閃爍感，逐行掃描方式下電視圖像的傳送速率一般應(yīng)達(dá)到50幀／秒，即幀頻為50Hz。這樣，對(duì)傳輸通道的帶寬要求很高，同時(shí)也使電視設(shè)備復(fù)雜化。為了在不增加圖像信號(hào)帶寬的情況下，有效克服閃爍現(xiàn)象，電視系統(tǒng)采用了隔行掃描方式。傳統(tǒng)的電視系統(tǒng)采用的都是隔行掃描方式。

2、隔行掃描。隔行掃描是指將一幀電視圖像分成兩場(chǎng)來掃描，第一場(chǎng)掃描畫面的奇數(shù)行，這期間稱為奇場(chǎng)；第二場(chǎng)再掃描畫面的偶數(shù)行，這期間稱為偶場(chǎng)。奇場(chǎng)和偶場(chǎng)圖像嵌套在一起形成一幅完整的圖像。

三、模擬視頻信號(hào)源

視頻采集系統(tǒng)采集的原始視頻信號(hào)源為模擬視頻信號(hào)源，同時(shí)，傳統(tǒng)的電視信號(hào)也都為模擬信號(hào)。

(一)電視信號(hào)的制式

視頻信號(hào)是一種模擬信號(hào)，由視頻模擬數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)構(gòu)成，用于在接收端準(zhǔn)確地顯示圖像。信號(hào)的細(xì)節(jié)取決于應(yīng)用的視頻制式。全球視頻制式分三種：NTSC制式、PAL制式和SCREM制式。

NTSC(National Television System Committee)制式是：NTSC制式是美國(guó)1953年研制成功的第一個(gè)兼容制彩色電視制式，按色度信號(hào)處理及傳輸特點(diǎn)，稱為正交平衡調(diào)幅制。標(biāo)準(zhǔn)NTSC格式每秒三十幀(30Hz)、分辨率為525掃描線。

PAL(Phase Alteration Line)制式：此標(biāo)準(zhǔn)用于大多數(shù)歐洲國(guó)家、澳大利亞、中美和南美部分地區(qū)的商業(yè)廣播。標(biāo)準(zhǔn)PAL格式顯示時(shí)，每秒25幀(25Hz)、分辨率為625掃描線。

SCREM制式：東歐等國(guó)家采用的制式，也是針對(duì)N制式容易偏色的毛病而開發(fā)的，由于使用的較少，就不詳細(xì)解釋了。

當(dāng)然，在嵌入式的視頻采集中，由于要滿足不同的用戶需求，有時(shí)系統(tǒng)要工作在非標(biāo)準(zhǔn)的制式下。

(二)視頻信號(hào)的組成

首先，介紹一下黑白視頻信號(hào)的組成。黑白全電視信號(hào)指的是在黑白電視系統(tǒng)中傳送的與圖像內(nèi)容及圖像顯示有關(guān)的信號(hào)，它包括三個(gè)主要部分，即圖像信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)。這三種信號(hào)并不是分成獨(dú)立的通道來傳輸，而是復(fù)合在一起，形成一個(gè)完整的電視信號(hào)。

1、圖像信號(hào)。圖像信號(hào)就是攜帶景物亮暗信息的電信號(hào)。

2、復(fù)合消隱信號(hào)。電視系統(tǒng)中，正程期間傳送圖像信號(hào)，逆程期間不傳送圖像信號(hào)。因此，若不采取措施，在使用電子束掃描的顯像管中，電子束在逆程期間的掃描就會(huì)在屏幕上產(chǎn)生回掃線，從而對(duì)正程圖像造成干擾，影響圖像的清晰度。復(fù)合消隱脈沖的作用就是在行、場(chǎng)逆程期間使顯像管中的掃描電子束截止，使其不干擾正程的圖像信號(hào)。

3、復(fù)合同步信號(hào)。為了正確重現(xiàn)圖像，要求收、發(fā)兩端掃描必須嚴(yán)格同步。為此，發(fā)送端在傳送圖像信號(hào)和復(fù)合消隱信號(hào)的同時(shí)，還要提供一種稱為復(fù)合同步信號(hào)的脈沖信號(hào)。復(fù)合同步信號(hào)也分為行同步和場(chǎng)同步兩部分，分別疊加在行、場(chǎng)消隱脈沖之上，與消隱脈沖信號(hào)一起在逆程期間傳送。

彩色電視信號(hào)與黑白電視信號(hào)是兼容的。在彩色電視的圖像信號(hào)中，需要有兩個(gè)最基本的信號(hào)，一個(gè)代表圖像的亮度，稱為亮度信號(hào)，另一個(gè)代表圖像的色彩，稱為色度信號(hào)。但是色度信號(hào)也占據(jù)了非常大的帶寬，而在電視射頻頻帶上，一個(gè)頻道挨著一個(gè)頻道，亮度信號(hào)已經(jīng)把頻帶給塞滿了，頻帶壓縮、頻譜交錯(cuò)和正交平衡調(diào)幅技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。一般模擬視頻信號(hào)有三種：CVBS(復(fù)合視頻)，YPrPb(分量視頻)，Y/C(半分量視頻)。本論文中所使用的解碼芯片是完全支持三種不同信號(hào)的解碼到Y(jié)UV(YcrCb)數(shù)字信號(hào)的。

(三)YCbCr色彩編碼介紹

在DVD、攝像機(jī)、數(shù)字電視等消費(fèi)類視頻產(chǎn)品中，常用的色彩編碼方案是YCbCr，其中Y是指亮度分量，Cb指藍(lán)色色度分量，而Cr指紅色色度分量。人的肉眼對(duì)視頻的Y分量更敏感，因此在通過對(duì)色度分量進(jìn)行子采樣來減少色度分量后，肉眼將察覺不到的圖像質(zhì)量的變化。主要的子采樣格式有YCbCr4:2:0、YCbCr 4:2:2和YCbCr 4:4:4。4:2:0表示每4個(gè)像素有4個(gè)亮度分量，2個(gè)色度分量(YYYYCbCr)，僅采樣奇數(shù)掃描線，是便攜式視頻設(shè)備(MPEG－4)以及電視會(huì)議(H.263)最常用格式；4:2:2表示每4個(gè)像素有4個(gè)亮度分量，4個(gè)色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、數(shù)字電視、HDTV以及其它消費(fèi)類視頻設(shè)備的最常用格式；4:4:4表示全像素點(diǎn)陣(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高質(zhì)量視頻應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用的是YCbCr 4:2:2色彩編碼。下文中還提到Y(jié)UV色彩編碼，YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中。

四、視頻信號(hào)數(shù)字化

由于模擬信號(hào)有分辨率低、顯示效果差、有兩色串?dāng)_等缺點(diǎn)，必須將其數(shù)字化以便進(jìn)行相應(yīng)的視頻處理，提高視頻的質(zhì)量。通過A/D轉(zhuǎn)換，模擬視頻信號(hào)變成了YIN編碼的數(shù)字信號(hào)。因?yàn)椴徽撌窃陔娨暀C(jī)還是CRT顯示器，都是使用RGB三基色合成的方法來顯示顏色。所以，在視頻數(shù)據(jù)的顯示前，要對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行YCrCb到RGB轉(zhuǎn)換。根據(jù)制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換

按照下面的公式(4－1)來計(jì)算。

五、模擬視頻信號(hào)解碼電路的設(shè)計(jì)及初始化配置

(一)ADV7181B芯片和寄存器功能介紹

1、INSEL寄存器的設(shè)置。ADV718lB共支持三種模擬視頻輸入信號(hào)：CVBS、Y/C和YPrPb。INSEL寄存器是輸入信號(hào)選擇寄存器，它的設(shè)置值對(duì)應(yīng)三種不同輸入信號(hào)，表5－1是INSEL的設(shè)置列表。這里的地址0×00是指的從設(shè)備的從地址，對(duì)于I²C總線來說，ADV7181B屬于從設(shè)備。它的從設(shè)備主地址由I²C總線委員會(huì)給出，從地址就是各個(gè)寄存器的地址。

2、SB和HSE的設(shè)置。HSB[10:0]是Hs信號(hào)起始寄存器，地址0×34[6:4]，0×35[7:0]：HSE[10:O]是HS信號(hào)結(jié)束寄存器，地址0×34[2:0]，0×36[7:0]。

行同步信號(hào)(Hs)的設(shè)置包括：Hs信號(hào)的起始HSB，Hs信號(hào)的結(jié)束HSE，Hs信號(hào)的極性。Hs信號(hào)的起始邊沿的位置通過設(shè)置HSB[10:0]的數(shù)值來決定，寄存器的值表示的是從Hs信號(hào)的下降沿到上升沿包含的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)n。當(dāng)檢測(cè)到視頻數(shù)據(jù)信號(hào)中出現(xiàn)EAV碼時(shí)(FF，00，00，XY)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器的數(shù)值就會(huì)變?yōu)?，然后n個(gè)像素點(diǎn)后Hs信號(hào)出現(xiàn)上升沿。

Hs信號(hào)的結(jié)束邊沿的位置通過HSE[10:0]的數(shù)值來決定，寄存器的值表示的是Hs信號(hào)的下降沿延續(xù)的時(shí)間。Hs信號(hào)的極性通過PHS寄存器設(shè)置，PHS＝0，Hs高電平有效，PHS＝1，HS低電平有效。

總之，Hs信號(hào)的位置由HSE，HSB的數(shù)值來決定，長(zhǎng)度通過HSB－HSE來決定。表5－2畫出了Hs信號(hào)負(fù)脈沖出現(xiàn)的位置和長(zhǎng)度。

(二)模擬視頻信號(hào)解碼電路設(shè)計(jì)

本課題采用ADV7181B完成模擬視頻解碼處理。芯片完成CVBS等模擬視頻信號(hào)到Y(jié)CrCb數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。模擬視頻信號(hào)解碼電路如圖5－4所示。

(三)I²C總線介紹

ADV718lB具有I²C總線控制端口，通過I²C總線對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，從而完全控制ADV7181B的運(yùn)行。下面對(duì)I²C總線的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。I²C總線是由荷蘭菲利浦公司于80年代研制開發(fā)成功，并先后用于音頻、視頻集成電路。I²C總線由于其成本低的特性，是一種流行的二線制串行接口。通過簡(jiǎn)單的主／從協(xié)議，每個(gè)連接到總線上的設(shè)備都具有唯一的軟件可編址的地址。

I²C總線由兩條線組成，串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)，它們用來在連接到總線上的設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，可以方便的構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。連接到總線上的每個(gè)器件都有唯一的地址和簡(jiǎn)單的主／從機(jī)關(guān)系，地址由固定部分和可編程部分組成，固定部分表示該類器件被分配的地址范圍，可編程部分則決定在同一個(gè)I²C總線上該類器件最多可以掛的數(shù)目。I²C總線上的數(shù)據(jù)傳輸由啟動(dòng)信號(hào)START條件發(fā)起，停止信號(hào)STOP條件結(jié)束。開始和結(jié)束條件一般由主器件產(chǎn)生?？偩€在開始條件后被認(rèn)為處于忙狀態(tài)；在停止條件產(chǎn)生一段時(shí)間之后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)通過SCL保持高電平期間SDA線上信號(hào)電平的變化來表示。當(dāng)SCL和SDA均為高電平時(shí)總線處于空閑狀態(tài)；當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA發(fā)生由高到低的跳變時(shí)為開始信號(hào)；而當(dāng)SCL為高電平時(shí)SDA發(fā)生由低到高的跳變時(shí)則為結(jié)束信號(hào)。傳送數(shù)據(jù)位時(shí)，SCL高電平期間，要求SDA上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，在此期間，主器件及從器件之間可以交換數(shù)據(jù)；在低電平期間，SDA上的數(shù)據(jù)可以變化。I²C總線的時(shí)序要求非常嚴(yán)格，只要符合時(shí)序規(guī)定，傳輸?shù)腻e(cuò)誤率非常低。

作者簡(jiǎn)介：

侯國(guó)峰，男，黑龍江綏化人，綏化學(xué)院講師，黑大在讀碩士，主要從事軟件工程的教學(xué)和研究工作。