視頻采集系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究

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

[關(guān)鍵詞]視頻信號采集系統(tǒng)數(shù)字化

中圖分類號：TN2文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0210018－02

一、CCD攝像機介紹

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，該信號能再現(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、電荷轉(zhuǎn)移以及信號輸出幾個部分組成。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)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后，加上行、場同步等信息，變成標準全電視信號。

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

二、顯示掃描原理

1、逐行掃描。在對一幀畫面進行光電轉(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)達到50幀／秒，即幀頻為50Hz。這樣，對傳輸通道的帶寬要求很高，同時也使電視設(shè)備復(fù)雜化。為了在不增加圖像信號帶寬的情況下，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來掃描，第一場掃描畫面的奇數(shù)行，這期間稱為奇場；第二場再掃描畫面的偶數(shù)行，這期間稱為偶場。奇場和偶場圖像嵌套在一起形成一幅完整的圖像。

三、模擬視頻信號源

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

(一)電視信號的制式

視頻信號是一種模擬信號，由視頻模擬數(shù)據(jù)和視頻同步數(shù)據(jù)構(gòu)成，用于在接收端準確地顯示圖像。信號的細節(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1953年研制成功的第一個兼容制彩色電視制式，按色度信號處理及傳輸特點，稱為正交平衡調(diào)幅制。標準NTSC格式每秒三十幀(30Hz)、分辨率為525掃描線。

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

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

當然，在嵌入式的視頻采集中，由于要滿足不同的用戶需求，有時系統(tǒng)要工作在非標準的制式下。

(二)視頻信號的組成

首先，介紹一下黑白視頻信號的組成。黑白全電視信號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，它包括三個主要部分，即圖像信號、復(fù)合消隱信號、復(fù)合同步信號。這三種信號并不是分成獨立的通道來傳輸，而是復(fù)合在一起，形成一個完整的電視信號。

1、圖像信號。圖像信號就是攜帶景物亮暗信息的電信號。

2、復(fù)合消隱信號。電視系統(tǒng)中，正程期間傳送圖像信號，逆程期間不傳送圖像信號。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在屏幕上產(chǎn)生回掃線，從而對正程圖像造成干擾，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。

3、復(fù)合同步信號。為了正確重現(xiàn)圖像，要求收、發(fā)兩端掃描必須嚴格同步。為此，發(fā)送端在傳送圖像信號和復(fù)合消隱信號的同時，還要提供一種稱為復(fù)合同步信號的脈沖信號。復(fù)合同步信號也分為行同步和場同步兩部分，分別疊加在行、場消隱脈沖之上，與消隱脈沖信號一起在逆程期間傳送。

彩色電視信號與黑白電視信號是兼容的。在彩色電視的圖像信號中，需要有兩個最基本的信號，一個代表圖像的亮度，稱為亮度信號，另一個代表圖像的色彩，稱為色度信號。但是色度信號也占據(jù)了非常大的帶寬，而在電視射頻頻帶上，一個頻道挨著一個頻道，亮度信號已經(jīng)把頻帶給塞滿了，頻帶壓縮、頻譜交錯和正交平衡調(diào)幅技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個問題。一般模擬視頻信號有三種：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的解碼到Y(jié)UV(YcrCb)數(shù)字信號的。

(三)YCbCr色彩編碼介紹

在DVD、攝像機、數(shù)字電視等消費類視頻產(chǎn)品中，常用的色彩編碼方案是YCbCr，其中Y是指亮度分量，Cb指藍色色度分量，而Cr指紅色色度分量。人的肉眼對視頻的Y分量更敏感，因此在通過對色度分量進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個像素有4個亮度分量，2個色度分量(YYYYCbCr)，僅采樣奇數(shù)掃描線，是便攜式視頻設(shè)備(MPEG－4)以及電視會議(H.263)最常用格式；4:2:2表示每4個像素有4個亮度分量，4個色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、數(shù)字電視、HDTV以及其它消費類視頻設(shè)備的最常用格式；4:4:4表示全像素點陣(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、視頻信號數(shù)字化

由于模擬信號有分辨率低、顯示效果差、有兩色串擾等缺點，必須將其數(shù)字化以便進行相應(yīng)的視頻處理，提高視頻的質(zhì)量。通過A/D轉(zhuǎn)換，模擬視頻信號變成了YIN編碼的數(shù)字信號。因為不論是在電視機還是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，要對電視信號進行YCrCb到RGB轉(zhuǎn)換。根據(jù)制定的國際標準，RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換

按照下面的公式(4－1)來計算。

五、模擬視頻信號解碼電路的設(shè)計及初始化配置

(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：CVBS、Y/C和YPrPb。INSEL寄存器是輸入信號選擇寄存器，它的設(shè)置值對應(yīng)三種不同輸入信號，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總線委員會給出，從地址就是各個寄存器的地址。

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

行同步信號(Hs)的設(shè)置包括：Hs信號的起始HSB，Hs信號的結(jié)束HSE，Hs信號的極性。Hs信號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信號的下降沿到上升沿包含的像素點個數(shù)n。當檢測到視頻數(shù)據(jù)信號中出現(xiàn)EAV碼時(FF，00，00，XY)，內(nèi)部計數(shù)器的數(shù)值就會變?yōu)?，然后n個像素點后Hs信號出現(xiàn)上升沿。

Hs信號的結(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信號的下降沿延續(xù)的時間。Hs信號的極性通過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信號的位置由HSE，HSB的數(shù)值來決定，長度通過HSB－HSE來決定。表5－2畫出了Hs信號負脈沖出現(xiàn)的位置和長度。

(二)模擬視頻信號解碼電路設(shè)計

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

(三)I²C總線介紹

ADV718lB具有I²C總線控制端口，通過I²C總線對其內(nèi)部寄存器進行配置，從而完全控制ADV7181B的運行。下面對I²C總線的相關(guān)內(nèi)容進行介紹。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。通過簡單的主／從協(xié)議，每個連接到總線上的設(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)成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。連接到總線上的每個器件都有唯一的地址和簡單的主／從機關(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)傳輸由啟動信號START條件發(fā)起，停止信號STOP條件結(jié)束。開始和結(jié)束條件一般由主器件產(chǎn)生。總線在開始條件后被認為處于忙狀態(tài)；在停止條件產(chǎn)生一段時間之后總線被認為再次處于空閑狀態(tài)。啟動信號和停止信號通過SCL保持高電平期間SDA線上信號電平的變化來表示。當SCL和SDA均為高電平時總線處于空閑狀態(tài)；當SCL為高電平時，SDA發(fā)生由高到低的跳變時為開始信號；而當SCL為高電平時SDA發(fā)生由低到高的跳變時則為結(jié)束信號。傳送數(shù)據(jù)位時，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總線的時序要求非常嚴格，只要符合時序規(guī)定，傳輸?shù)腻e誤率非常低。

作者簡介：

侯國峰，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。