视频信号的基础知识

一、视频信号的结构与使用 • 图象采集卡是对模拟视频信号采样并作A/D转换而成为数字信号的， 为了获得正确的数字信号，对模拟视频信号有一个大概的了解是十分 重要的，尤其在一些特殊的应用领域，例如： • 实时处理 • 多路视频输入 • 非标准视频采集 • 立体视觉 • 序列图象分析 • 运动图象 • 等都对摄象机的同步连接；多路切换；图象处理与视频信号的同步配 合；图象窗口的选择；亮度与对比度的调节有着特殊的要求，为了满 足这些要求，把视频信号的结构了解清楚后，会对用户很快构成并调 试好自己的图象处理系统；设计好自己的软件；充分提高CPU处理图 象的效率等带来很大的好处 1-1、视频信号的概述 • 视频信号最初是用于广播电视的，也就是说是要经过传输，尤其是无 线传输而送到观众接收机上，由于图象的信息量是如此巨大，如果不 对视频信号作一定的处理，就会占据无线通讯很宽的宝贵频带，为此 对全电视信号在清晰度、闪烁性、叠加彩色后的与黑白图象的兼容 性、所占用的带宽等方方面面作了精心的权衡与安排，研究设计出目 前的黑白/彩色全电视信号标准。例如隔行扫描就是考虑到带宽、抗闪 烁、清晰度等方面而巧妙设计的；PAL或NTSC的彩色图象制式就是 考虑到人眼对颜色的着色特性，与原黑白视频的兼容性，在不影响黑 白灰度信息的前提下，而将彩色信息调制后插入黑白全电视信号频谱 的缝隙之中的。而所谓的不影响仅仅是理论上的，由于技术上的局限 性，在接收端将黑白信息与彩色信息分离时，在大多数情况下会大大 影响黑白信息的分辨率。视频信号的这些特性在广播电视中带来了巨 大的好处，但在图象处理的使用场合又会带来很大的不便与缺陷。 1-2、黑白全电视信号及采集 • 摄象机获取图象形成视频信号是用扫描的方式逐行顺序进 行的，从景物的左上角开始扫描第一行，然后向下移动扫 描第二行，直至这场扫描完312行（PAL制），到第313行 的一半时，这一场结束，形成了一幅奇场图象；从图象的 最上部中间开始第313行的后半部扫描，见图一，开始第 二场即偶场的扫描，第二场的每一行夹在第一场的相邻行 中间，直至625行结束，第二场图象结束，形成了一幅偶 场图象，同时相邻行由奇场和偶场图象交叉形成了一帧图 象。帧图象、奇偶场图象之间的关系见图二。从图一和图 二可以看出，在水平方向一行中的像素从左到右是以纳秒 级的速度顺序出现的，而一帧图象的上下二个相邻象素的 相隔时间为一场的场周期，可达几十毫秒。这种隔行方 式，在同样的分辨率、没有因人眼惰性有限而带来太大的 闪烁性的情况下，视频信号的频带带宽几乎减低了一倍， 节省了宝贵的通信资源。 图一隔行视频信号的扫描方法 奇 场第一行 奇 场第二行 偶场第一行（315行） 偶场第313行（625行） 第312行 第313行 实线:奇 次场 虚线:偶次场 : : : 图二 1 完整 一 幅帧图象 图二 2 奇 场图象 图二 3 偶 场图象 图二 隔行的帧图象和奇偶场图象之间的关系 • 从上述的视频信号的扫描方式可以看出，为了让 接收端正确接受视频信号，除了传送代表图象亮 暗的灰度信号外，尚需传送每一行每一场的同步 信号。所以在黑白全电视信号中包含了三种主要 信息，灰度图象、同步信号和消隐信号。消隐信 号，即黑电平，是零电平，在零电平的上部是灰 度图象，数值越大越亮，零电平处为全黑，在零 电平的下部是行、场同步信号，包括隔行扫描中 的奇场和偶场的识别脉冲信息等。 • 1-3、视频信号的采样 • 一幅数字图象，是由矩形或方形点阵形成的，例 如水平512点，垂直也是512点的512×512方 阵；水平768点，垂直576点的矩形点阵，阵列中 的每一点的数值代表这个位置图象的灰度，在 8bits时取值0-255，在10bits时取值0-1023。点阵 中的一行数据是采样全电视信号中相应行中的图 象信息而获得的，将每一行数据自上而下排列起 来构成了一场或一帧数字图象，一行信号的采集 见图四 945个 64us 水 平 总 采集 点数 视 频 信 号 采样 主 频 14.76MC 有 效 采样 区 X方向偏 移 量 水 平 有 效 采集 区 768个 52us ....... ....... 图四行视频信号的采样示例 • 为了表达简练，图中所示为标准视频信号的标准采样方式，采样主频 要严格与行同步锁相，即在64μs的行周期内，有945个脉冲，从行同 步脉冲的前沿开始，去掉一段采样脉冲（X方向偏移），开始连续采 集768个图象点，采样结束后还留有一段区域才到达下一个行同步脉 冲的前沿。在这个例子中，视频是标准的，行频15.625KC（或周期 为64μs），场频50周（或周期为20ms），帧频为25周（或周期为 40ms），隔行方式，625行；采样方式也是标准的，采样频率 14.75MC，每行占有采样点945个，每行采样768点。按上述方式采 样出来的点阵图象中，上下左右四个相邻点之间是方形排列的，这种 方形点阵在屏幕上显示出来没有产生横纵向比例变形（即变瘦或变 胖），在图象处理时有利于尺度测量的计算。如果适当改变X方向的 偏移量，则被采集的图象在X方向会左右移动；同理，在Y方向，全 电视信号有625行，这个例子只采用了中间的576行，上下都留出一 些扫描行未使用，上部留出的行数是Y方向的偏移量，也可以适当地 调节。如果把一行周期内占有的945个脉冲增加或减少，则被采集的 图象就会变宽或变窄，即相邻的四个点阵变成了横向或竖向的矩形。 • 1-6-2、彩色图象信号的使用 • 彩色图象采集卡可采集三种类型的彩色信号： • ①， R、G、B分量式信号源：这是一种分量式 输入方式，由于采集卡没有对输入信号作任何处 理，RGB三路信号输入后直接用三个A/D转换成 数字信号，所以对图象的损失最少，能获得高质 量的彩色数字图象。如果信号源采用RGB摄象 机，采用具有RGB输入的采集卡就可形成一套高 质量的彩色图象处理系统。当然，RGB摄象机的 价格大大高于普通摄象机。RGB信号源还可能来 自于医疗设备、计算机VGA输出等。 • ②，复合彩色全电视信号源：即以上所述的第二种混合 信号，这种信号进入采集卡后首先将彩色信号用滤波器从 全电视信号中取出来，再用解码器把灰度信号和彩色信号 解码形成R、G、B信号。彩色视频信号的解码有二种方 式，一种方式是彩色全电视信号用模拟解码器分解成R、 G、B模拟信号，用三个A/D作模数转换形成数字信号；另 一种方式是彩色全电视信号输入后，用一个A/D先作模数 转换，形成数字的全电视信号，再在数字域对彩色信号作 同步分离、彩色分离和解码，分解成RGB信号。在本公司 的产品中使用了模拟解码和数字解码二种方式，前者动态 范围大，所获得的图象透亮；后者解码后的彩色准确，由 于解码是在数字域中进行的，动态范围有限，图象看起来 没有模拟式透亮。 • ③， S-Video或Y/C信号源：如上所述，S-Video信号有二条线，一条 是亮度信号Y，一条是U和V正交调制后的混合彩色信号C。这种 也是一种分量输入方式，在摄象机内没有将灰度信号Y和彩色信号C 混合，所以在采集卡内不需要用滤波器将彩色信号从全电视信号中分 离出来；也不要用陷波器将全电视信号中的彩色部分去除，获得纯黑 白视频信号等处理。由于目前技术上的局限性，滤波器和陷波器不可 能达到理想的水平，这样就将灰度信号的频带大大降低了，影响了图 象的分辨率。由于S-Video信号不需要上述的分离处理，所以S-Video 信号输入方式可大大提高灰度图象的分辨率，减少了解码器分解R、 G、B分量的不准确性。由于具有S-Video端子的彩色摄象机价格不 高，甚至于稍好一点的彩色摄象机都配备有S-Video端子。所以这种 信号源是一种既经济又能获得较高图象质量的方案。MV系列彩色图 象采集卡大都备有S-Video端子输入，建议用户多采用这种方式。 • 说明：目前全世界的彩色电视主要有三种方式：PAL、 NTSC 、SECAM三种，而PAL和NTSC又是用得最多的二 种。PAL和NTSC 是代表彩色信号的编码方式，都是基于 YUV之上的，它们之间的差别很小。由于使用NTSC的国 家和地区的电网多为60周，如美国、日本等，所以NTSC 的场频多为60周；而使用PAL制的国家和地区的电网多为 50周，所以PAL制的场频多为50周。所以在图象处理领 域，即使是在黑白图象的情况下，也有PAL或NTSC的说 法，这里：PAL实际上表示场频50周、帧频25周、625 行；而NTSC表示场频60周、帧频30周、525行，已不再 是表示彩色编码的方式了。 • 图象处理系统连接 • 视频信号是一个频带宽度达6MHz，甚至于更宽的高频、高带宽模 拟信号，为了保证图象的质量，设备相互之间的连接，特别是一个信 号源连接多台设备，它们之间的匹配、同步、接地是非常重要的。 • 电信号在“长距离”（对视频来说20厘米以上就是长距离了）传送时会 带来二个问，一个是辐射，一个是反射。对用户来说辐射比较好解 决，采用同轴电缆就行了。但反射就是一个相对复杂一些的问题。电 信号的传送由发送、连结线、接收三部分组成，见图七，发送设备的 输出端有输出阻抗，连接电缆有特性阻抗，接收设备有输入阻抗，这 三种阻抗应该相等，即应该匹配，否则就会形成反射。信号从发送端 送到接收端时，由于接收端的传输线特性阻抗与接收设备输入电阻不 匹配，有一部分又反射到发送端，发送端如果也不匹配又从发射端反 射到接收端，来回反射、叠加，使信号严重失真。 图七 75 摄像机 输出阻抗 75 图像采集卡 输入阻抗 特性 阻抗 连 电 缆 • MV系列图象采集卡配有75Ω输入阻抗，摄 象机和大部分视频设备都具有75Ω的输出 阻抗，MV系列所配的同轴电缆的特性阻抗 也是75Ω。在一个摄象机、一块采集卡的 情况下用电缆连接起来就行了。在医疗系 统、检控、立体视觉等使用场合往往由多 台视频设备组成一个系统，它们之间的连 接就要注意阻抗的匹配和连接方式了。 • 2-1、串行连接 • 很多医疗系统是由多台设备串接而成的，这些设 备的输入输出端都配有75Ω匹配电阻，具有串接 能力的设备同时具有输入和输出端口，并配有可 开路的匹配电阻，图八显示了具有不同匹配电阻 的设备结构。这些设备串接时最终端一定要有 75Ω匹配电阻，中间的所有设备不能具有匹配电 阻，见图九，否则会引起反射。在接入图象卡时 也要按此原则连接，若将图象卡接在最末端，见 图十。 图八 视频设备不同的输入输出端口 in out in out75 75 图九视频设备串接方式 4321 输出 75输入75 图十图象卡在串接的最终端时的接法 1 2 3 4 75 采集卡信号源 • 如将采集卡串入原回路之中，则连接如图 十一，第二台设备的输出线一定要接到采 集卡上，从采集卡输出到第3台设备的线也 要接在采集卡上，同时要将采集卡上的 75Ω匹配电阻去除。图十二的接法是错误 的。 1 2 3 4 采集卡 75 图十二 错误的串联接法 1 2 3 4 采集卡 • 2-2、并行连接 • 立体视觉、交通检控、各种锅炉的火焰监测等等 应用场合，需使用多台摄象机同时输入一块或多 块采集卡，来采集多点、多角度的图象。为了提 高切换和图象处理的速度，需要把多台摄象机同 步起来，同样为了匹配的要求，要注意连接方 式，最常见的连接方式见图十三，图中的视频分 配器是一种一个输入，复制四个输出的设备，每 一输入输出端都配有75Ω匹配电阻，第2、3、4 号摄象机需具有接收外同步端口。 图十三 并行连接法 1摄像机 2摄像机 3摄像机 4摄像机 视 频 分配器 图象采集 卡 外同步输入 外同步输入 外同步输入 视 频 输出 视 频 输出 视 频 输出 • 2-3、系统接地方法 • 一般来说，所有大型设备，如医疗设备、雷达、 电子显微镜等，由于具有单独的电源系统，相应 的图象采集处理系统，要特别注意系统的接地即 共地连接，以避免设备损坏及视频信号的辐射。 这是因为很多大型设备都可能有不同程度的漏 电，这种漏电虽然内阻很大，但电压可达几百 伏，如果这么高电压的漏电因未共地而流入图象 采集卡的输入端，或其它设备的端口，就可能烧 坏设备。 • 最简单的做法是：在设备互相连接和通电 之前，一定要先将装有图象采集卡的计算 机外壳与大型设备的接地点（设备的外壳 也可以）用较粗的铜线牢靠地连接起来， 大型设备的接地点一定要按电工标准通到 大地。 • 接地线的接法不当还会引起辐射，使图象 严重失真。由于用户的系统设备的摆放位 置、接地位置等情况各不相同，以及辐 射、吸收的复杂性，接地后还发生图象质 量不佳，很难用常规的分析方法找出原 因，用户只能用试接的方式来消除这种干 扰，如改变接地的连接点，多点接地等。