各類視頻格式的視頻信號(hào)測(cè)量與發(fā)生基礎(chǔ)理論知識(shí) - 全文

本教程是NI 信號(hào)發(fā)生器教程 和高速數(shù)字化儀教程 系列的一部分。 這個(gè)系列中的每個(gè)教程都將解釋理論并給出應(yīng)用實(shí)例，教授常見測(cè)量應(yīng)用的一個(gè)主題。本教程討論了視頻信號(hào)測(cè)量與發(fā)生的基礎(chǔ)。

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1. 理解復(fù)合視頻信號(hào)

復(fù)合視頻信號(hào)是所有需要生成視頻信號(hào)的成分組合在同一信號(hào)中的信號(hào)。構(gòu)成復(fù)合信號(hào)的三個(gè)主要成分如下：

亮度信號(hào)——包含視頻圖像的強(qiáng)度（亮度或暗度）信息
色彩信號(hào)——包含視頻圖像的色彩信息
同步信號(hào)——控制在電視顯示屏等顯示器上信號(hào)的掃描

單色復(fù)合信號(hào)是由兩個(gè)成分組成的：亮度和同步。圖1顯示了這個(gè)信號(hào)（通常成為Y信號(hào)）。

圖1：?jiǎn)紊珡?fù)合視頻信號(hào)（亮度從白過渡到黑）

色彩信號(hào)通常被稱為C信號(hào)，在圖2中示出。

圖2：彩色條的色彩信息信號(hào)（包括顏色突發(fā)）

復(fù)合彩色視頻信號(hào)通常成為彩色視頻、消隱與同步（CVBS）信號(hào)示Y與C之和，如圖3所示。

CVBS = Y + C

圖3：彩色條的彩色復(fù)合視頻信號(hào)

兩個(gè)組成部分Y與C可以作為兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)分開傳輸。這兩個(gè)信號(hào)合稱為Y/C或S視頻。

2. 視頻信號(hào)組成

單一水平視頻行信號(hào)由水平同步信號(hào)、后沿、活動(dòng)象素場(chǎng)以及前沿組成，如圖4所示。

圖4：視頻信號(hào)組成

水平同步（HSYNC）信號(hào)示每條新的視頻行的開始。其后是后沿，用來作為從浮地（交流耦合）視頻信號(hào)去除直流分量的參考電平。這是通過單色信號(hào)的鉗制間隔實(shí)現(xiàn)的，它出現(xiàn)在后沿中。對(duì)于合成彩色信號(hào)，鉗制發(fā)生在水平同步脈沖中，由于大部分后沿用于色彩突發(fā)，它提供了信號(hào)色彩成分解碼信息。在MAX幫助中，視頻信號(hào)的所有設(shè)置參數(shù)都有較清楚的描述。

色彩信息可以包含在單色視頻信號(hào)中。復(fù)合色彩信號(hào)包含標(biāo)準(zhǔn)單色信號(hào)（RS-170或CCIR），并加入了以下成分：

色彩突發(fā)：位于后沿，這是提供后續(xù)色彩信息相位和幅值參考的高頻場(chǎng)。
色彩信號(hào)：這是實(shí)際的色彩信息。它由兩個(gè)以色彩突發(fā)頻率調(diào)制到載波的象限成分組成。這些組成部分的相位和幅值決定了每個(gè)象素的色彩內(nèi)容。

視頻信號(hào)的另一方面是垂直同步（VSYNC）脈沖。這實(shí)際上是在場(chǎng)之間發(fā)生的脈沖序列，用于通知顯示器，完成垂直重跟蹤，準(zhǔn)備掃描下一場(chǎng)。在每個(gè)場(chǎng)中都有幾行是不包含活動(dòng)視頻信息的。有些只包含HSYNC脈沖，而其他包含均衡與VSYNC脈沖序列。這些脈沖是在早期的廣播電視中定義的，所以從那以后構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)的一部分，雖然之后的硬件技術(shù)能夠避免部分附加脈沖的使用。在圖5中給出了復(fù)合RS-170交叉信號(hào)，其中包括垂直同步脈沖，為了簡(jiǎn)單起見，下面給出了一個(gè)6行幀：

圖5：VSYNC脈沖

應(yīng)當(dāng)理解對(duì)于從模擬相機(jī)得到的圖片，其垂直尺寸（以象素為單位）是由幀接收器對(duì)水平視頻行采樣的速率所決定的。而這個(gè)速率是由垂直行速率合相機(jī)的體系結(jié)構(gòu)所決定的。相機(jī)CCD陣列的結(jié)構(gòu)決定了每個(gè)象素的大小。為了避免圖像失真，您必須對(duì)水平方向，以一定速率進(jìn)行采樣，將水平的活動(dòng)視頻場(chǎng)分割為正確的象素點(diǎn)數(shù)。下面是RS-170標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)例：

感興趣參數(shù)：

行/幀數(shù)：525（其中包括用于顯示的485線；其余是每?jī)蓚€(gè)場(chǎng)之間的VSYNC行）
行頻率：15.734 kHz
行持續(xù)時(shí)間：63.556微秒
活動(dòng)水平持續(xù)時(shí)間：52.66微秒
活動(dòng)象素/行數(shù)：640
現(xiàn)在，我們可以進(jìn)行一些計(jì)算：

象素時(shí)鐘頻率（每個(gè)象素達(dá)到幀接收器的頻率）：
640象素/行 / 52.66 e-6 秒/行 = 12.15 e6 象素/行（12.15 MHz）
活動(dòng)視頻的象素行長(zhǎng)度 + 定時(shí)信息（稱為HCOUNT）：
63.556 e-6 秒 * 12.15 e6 象素/秒 = 772 象素/行
幀率：
15.734 e3 行/秒 / 525 行/幀 = 30 幀/秒

3. 不同的視頻格式

以下表格描述了常用標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻格式的一些特征：

NTSC：美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)

PAL：逐行倒相

SECAM: Systeme Electronic Pour Coleur Avec Memoire

4. 彩色編碼

對(duì)于所有的PAL和NTSC格式而言，編碼是基于正交調(diào)幅（QAM）概念的，其中將兩個(gè)彩色成分通過象限幅度調(diào)制之后，合并在一起。調(diào)制必須經(jīng)過解碼，因此跟蹤絕對(duì)相位需要對(duì)彩色信息進(jìn)行解碼。稱為彩色突發(fā)的參考信號(hào)被插入到每行的開始處，它位于水平同步脈沖之后（參閱上述圖3與圖4）。

對(duì)于所有的SECAM格式，兩個(gè)彩色成分使用兩個(gè)不同的子載波頻率進(jìn)行頻率調(diào)制，之后順序分步在不同的視頻行上。SECAM格式不需要彩色突發(fā)信號(hào)。

5. 視頻信號(hào)電平

視頻信號(hào)電平定義了視頻信號(hào)不同部分的電平和范圍。用于定義視頻信號(hào)電平的組織是IRE（無線電工程師協(xié)會(huì)）。消隱電平對(duì)應(yīng)0 IRE，白色電平對(duì)應(yīng)+ 100 IRE。消隱電平是視頻信號(hào)的參考級(jí)別（通常為0 V），如下面的圖6所示，如果對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的設(shè)置，消隱電平和白色電平是不同的。

圖6：視頻信號(hào)電平

對(duì)于NTSC而言，通常應(yīng)用7.5 IRE設(shè)置，將黑色電平提高為+ 7.5 IRE。對(duì)于PAL和SECAM，黑色電平與消隱電平一致，均為0 IRE。

下表根據(jù)視頻格式顯示了不同的視頻信號(hào)電平。

模擬合成視頻信號(hào)使用75 Ω的輸出阻抗定義為電壓源。當(dāng)帶75 Ω阻抗的負(fù)載時(shí)，白色電平同步通常為1 V峰峰值。因此，無負(fù)載信號(hào)名義上為2 V峰峰值。

6. 隔行掃描概念

所有復(fù)合視頻系統(tǒng)使用隔行掃描技術(shù)在電視屏幕上顯示視頻圖像。圖7顯示了隔行掃描概念。

圖7：電視屏幕上的隔行掃描

模擬視頻信號(hào)包含控制掃描從左到右逐行以及從上到下逐場(chǎng)進(jìn)行掃描?？刂浦鹦袙呙璧拿}沖稱為水平同步脈沖（H-Sync）?？刂拼怪睊呙璧拿}沖稱為垂直同步脈沖（V-Sync）。

兩個(gè)交叉場(chǎng)合成一個(gè)完整幀。第一個(gè)場(chǎng)稱為奇數(shù)場(chǎng)，對(duì)視頻圖像的奇數(shù)行進(jìn)行掃描。第二個(gè)場(chǎng)稱為偶數(shù)場(chǎng)，對(duì)視頻圖像的偶數(shù)行進(jìn)行掃描。整個(gè)過程對(duì)每幀進(jìn)行重復(fù)。

另請(qǐng)參閱：
在采集隔行圖像時(shí)，哪個(gè)場(chǎng)應(yīng)該作為首個(gè)奇數(shù)場(chǎng)或偶數(shù)場(chǎng)？
如何在隔行隔行視頻信號(hào)中區(qū)分奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)？

7. 活動(dòng)圖像

掃描得到的活動(dòng)視頻圖像總是具有4/3的尺寸比例（水平/垂直），它與視頻格式無關(guān)。彩色復(fù)合視頻信號(hào)表明掃描過程要求在每行的左側(cè)和右側(cè)需要一些附加空間，在活動(dòng)視頻圖像場(chǎng)的頂部和底部也同樣如此。這個(gè)額外的空間包含同步信號(hào)、彩色突發(fā)以及其他例如ITS等格式特定的信息，這并不是活動(dòng)視頻圖像的一部分。大約所有行的90％以及每行的80％都能夠傳送活動(dòng)圖像信息。如下表所示，精確的數(shù)值依賴于視頻格式。

活動(dòng)行代表了實(shí)際用于傳送圖像和信息的行數(shù)。舉例而言，在NTSC中，每幀的525行中只有480行是傳送圖像信息的。同樣，在每行中，只有在活動(dòng)行序列中才傳送圖像信息，這比整行的持續(xù)時(shí)間短。舉例而言，在NTSC中，63.55 μs中只有52.2μs是活動(dòng)行持續(xù)時(shí)間。幀速率是掃描速度。

8. 灰度圖像和提取線譜輪廓

假設(shè)以下條件滿足，下一小節(jié)中的完整NTSC幀掃描圖像對(duì)在電視屏幕上可能出現(xiàn)的視頻顯示進(jìn)行了模擬：

電視能夠顯示整條線，而不僅僅是活動(dòng)圖像部分。
電視并非將兩個(gè)場(chǎng)進(jìn)行隔行掃描得到完整的圖像幀，而是對(duì)整個(gè)幀逐行掃描。

掃描從代表偶數(shù)場(chǎng)垂直同步模式的幾行開始掃描（從上到下逐行）。在偶數(shù)場(chǎng)的垂直同步模式之后插入可選的測(cè)試信號(hào)（ITS）。最后顯示實(shí)際的奇數(shù)場(chǎng)活動(dòng)圖像。

這個(gè)過程對(duì)偶數(shù)場(chǎng)重復(fù)，構(gòu)成完整的幀。

說明：大多數(shù)行從水平同步脈沖開始，隨后是色彩突發(fā)模式信號(hào)。之后的活動(dòng)圖像（或ITS）顯示強(qiáng)度變化，其中較高的信號(hào)電平代表更高的亮度。

位于圖8和圖9底部的提取譜線輪廓顯示了從偶數(shù)場(chǎng)提取的活動(dòng)視頻信號(hào)行。關(guān)于視頻電平的更多信息，等參閱之前的視頻信號(hào)小節(jié)。

水平同步脈沖一般是簡(jiǎn)單的負(fù)脈沖，這些脈沖電平低于亮度信號(hào)電平。但是，垂直同步信號(hào)由分步在多行上的脈沖序列構(gòu)成，脈沖序列對(duì)于奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)而言是不同的。圖8和圖9顯示了用于兩種場(chǎng)和三種主要視頻格式的垂直同步模式。

圖8：用于NTSC的場(chǎng)消隱與同步信號(hào)

圖9：用于PAL和SECAM的場(chǎng)消隱與同步信號(hào)

9. 完整的NTSC幀掃描

圖10顯示了對(duì)構(gòu)成完整NTSC幀的525行進(jìn)行掃描的結(jié)果。

圖10：完整的NTSC幀掃描

圖10是一個(gè)灰度圖像，由于它代表了原始NTSC視頻波形的強(qiáng)度圖。色彩信息嵌入到這個(gè)波形中，還沒有進(jìn)行編碼。
您可以看到左邊的信號(hào)色彩突發(fā)。點(diǎn)狀模式代表了正弦節(jié)拍的強(qiáng)度圖，構(gòu)成色彩突發(fā)波形。在解碼之后，色彩突發(fā)看上去像是單色的表面（如果在電視顯示器上可見）。

10. 相關(guān)NI產(chǎn)品

對(duì)這個(gè)主題感興趣的用戶還對(duì)以下NI產(chǎn)品感興趣：

函數(shù)、任意、射頻信號(hào)發(fā)生器
高速數(shù)字化儀
其他模塊化儀器（數(shù)字萬用表、開關(guān)等等）
LabVIEW圖形化編程環(huán)境
SignalExpress交互式軟件環(huán)境