CVBS視頻信號解析

ID:104287 · 發(fā)表于 2016-1-31 04:33

在我們的電視天線信號線里就只有兩跟線，中間有一根很粗的線，外圍包著一層的線，這是為了防止外界信號的干擾。在這兩根線中一個是地線，一根是全電視信號線，外圍的是地線。

做視頻處理很難免要接觸電視信號，了解全電視信號的原理。當我們把電視的信號線接到示波器上看其波形時會發(fā)現(xiàn)其波形很亂，但總是有一些規(guī)律可循：每隔一段特別亂的波形之后有一個很小的低電平。在這其中，中間那些特別亂的波形其實就是有效像素電平的高低信號，那些很小的電平信號就是一些同步信號。

1、關(guān)于像素時鐘：大約在13.5MHz，由采樣定理得出的采樣信號為27MHz，像素時鐘就是來同步像素有效信號的，每一個像素時鐘來一個像素值；

2、關(guān)于行同步信號：顧名思義就是同步行掃描的信號，每行來一次，低電平有效（對于正電視信號而言），每來一次行同步信號就意味著本行掃描結(jié)束，新的一行就要開始了；

3、關(guān)于場同步信號：顧名思義就是同步場掃描的信號，每場來一次，低電平有效，每來一次就意味著本場掃描結(jié)束新的一場就要開始；

4、關(guān)于場、幀的概念：從屏幕上頭掃到下頭叫做一場，但是并不等同于一幀，一幀圖像是指能夠組成完整畫面的圖像數(shù)據(jù)，在隔行掃描中一幀包括兩場：奇場和偶場；

5、關(guān)于CVBS波形電平的解析：（假設(shè)為正電視信號）設(shè)最低電平為0,最高電平為1,在兩者之間有一合理的分界值x，認為x到1之間的為像素值，將這個區(qū)間劃分為256份（假設(shè)精度為8位），每一個值對應(yīng)一個灰度值，其中x代表黑色，1代表白色，中間為各級灰度。(一個電平就可以表示一個256之內(nèi)的數(shù)字，模擬電平)x以下的電平不是有效地像素值也可以說是黑色，那些同步信號就融合在其中，包括行同步信號和場同步信號，場同步信號比行同步信號要寬很多，具體的都有自己的時間長短定義，這樣才能保持發(fā)送和接收段信號的一致性，才能夠恢復(fù)原來的圖像；

6、關(guān)于奇偶場的概念；就是一幀分兩場掃描，先掃描奇場再掃描偶場，兩場組成一幀。

7、關(guān)于場消隱和行消隱：跟在場同步和行同步之后，當一行掃到屏幕的最右頭或者一場掃描到屏幕的最底端時，必須返回進行下一行或者下一場的掃描，但是又不能讓人眼看出來，因此就誕生的場消隱和行消隱信號，在此期間回掃器件，雖然也是在掃描但是看不出來就像隱藏的一樣。

8. 視頻信號電平

視頻信號電平定義了視頻信號不同部分的電平和范圍。用于定義視頻信號電平的組織是IRE（無線電工程師協(xié)會）。消隱電平對應(yīng)0 IRE，白色電平對應(yīng)+ 100 IRE。消隱電平是視頻信號的參考級別（通常為0 V），如下面的圖6所示，如果對信號進行一定的設(shè)置，消隱電平和黑色電平是不同的。

圖6：視頻信號電平

對于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電平。

視頻格式	同步電平	消隱電平	黑色電平	白色電平	峰值電平	突發(fā)幅值
NTSC	–40 IRE	0 IRE	+7.5 IRE	+100 IRE	+120 IRE	20.0 IRE
PAL	–43 IRE	0 IRE	0 IRE	+100 IRE	+133 IRE	21.5 IRE
SECAM	–43 IRE	0 IRE	0 IRE	+100 IRE	+130 IRE	N/A

模擬合成視頻信號使用75 Ω的輸出阻抗定義為電壓源。當帶75 Ω阻抗的負載時，白色電平同步通常為1 V峰峰值。因此，無負載信號名義上為2 V峰峰值。

也就是140IRE = 1Vp-p

9. 理解復(fù)合視頻信號

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

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

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

圖1：單色復(fù)合視頻信號（亮度從白過渡到黑）

色彩信號通常被稱為C信號，在圖2中示出。

圖2：彩色條的色彩信息信號（包括顏色突發(fā)）

復(fù)合彩色視頻信號通常成為彩色視頻、消隱與同步（CVBS）信號示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

兩個組成部分Y與C可以作為兩個獨立信號分開傳輸。這兩個信號合稱為Y/C或S視頻。

10. 視頻信號組成

復(fù)合視頻信號的概念

在一個信號中包含了亮度信號、色度信號與同步信號（包括場同步、行同步信號及行場消隱信號），稱為復(fù)合視頻信號。

又稱為CVBS，表示Color，Video，Blanking，Sync，或者composite video baseband signal。

復(fù)合視頻信號把亮度、色度與同步信號復(fù)合在一個信號通道上傳輸，也就是在傳輸前需要把色度信號與亮度信號“合成”在一個信號里，在傳輸后再將色度信號與亮度信號“分離”開來，送到顯示電路處理。

在色度信號與亮度信號的“合成”與“分離”過程中，因為亮度信號與色度信號之間的相互干擾以及復(fù)合視頻信號本身帶寬的限制等，影響了圖像的質(zhì)量。復(fù)合視頻信號，沒有象射頻電視廣播信號那樣經(jīng)過調(diào)制、音/視頻混合/分離、放大、檢波、解調(diào)等過程，傳輸?shù)膱D像質(zhì)量，相對射頻電視廣播信號要好一些，但相對其它視頻信號，傳輸?shù)膱D像質(zhì)量是比較差的，水平分辨率一般可達 350-450 線。

在復(fù)合視頻信號的波形中，亮度與同步信號加在一起，稱為亮度信號Y(Luminance，Luma)。色調(diào)與色飽和度通過一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成色差信號，然后調(diào)制在色副載波上，已調(diào)色差信號即為色度信號C (Chrominance，Chroma)。色度信號的相位代表色相，即顏色，其幅度代表色飽和度。

單一水平視頻行信號由水平同步信號、后沿、活動象素場以及前沿組成，其中，水平同步，后沿，前沿，組成水平消隱，如圖4所示。

圖4：視頻信號組成

水平同步（HSYNC）信號表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）視頻信號去除直流分量的參考電平。這是通過單色信號的鉗制間隔實現(xiàn)的。對于合成彩色信號，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)，它提供了信號色彩成分解碼信息。

色彩信息可以包含在單色視頻信號中。復(fù)合色彩信號包含標準單色信號（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。
色彩信號：這是實際的色彩信息。它由兩個以色彩突發(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象素的色彩內(nèi)容。

VBI:場消隱間隔：

視頻信號的另一方面是垂直同步（VSYNC）脈沖。這實際上是在場之間發(fā)生的脈沖序列，用于通知顯示器，完成垂直重跟蹤，準備掃描下一場。在每個場中都有幾行是不包含活動視頻信息的。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)成了標準的一部分，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，其中包括垂直同步脈沖，為了簡單起見，下面給出了一個6行幀：

圖5：VSYNC脈沖

應(yīng)當理解對于從模擬相機得到的圖片，其垂直尺寸（以象素為單位）是由幀接收器對水平視頻行采樣的速率所決定的。而這個速率是由垂直行速率合相機的體系結(jié)構(gòu)所決定的。相機CCD陣列的結(jié)構(gòu)決定了每個象素的大小。為了避免圖像失真，您必須對水平方向，以一定速率進行采樣，將水平的活動視頻場分割為正確的象素點數(shù)。下面是RS-170標準的實例：

感興趣參數(shù)：

行/幀數(shù)：525（其中包括用于顯示的485線；其余是每兩個場之間的VSYNC行）
行頻率：15.734 kHz
行持續(xù)時間：63.556微秒
活動水平持續(xù)時間：52.66微秒
活動象素/行數(shù)：640

現(xiàn)在，我們可以進行一些計算：

象素時鐘頻率（每個象素達到幀接收器的頻率）：
640象素/行 / 52.66 e-6 秒/行 = 12.15 e6 象素/行（12.15 MHz）
活動視頻的象素行長度 + 定時信息（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

11. 不同的視頻格式

以下表格描述了常用標準模擬視頻格式的一些特征：

NTSC：美國國家電視標準委員會

PAL：逐行倒相

SECAM: Systeme Electronic Pour Coleur Avec Memoire

格式	應(yīng)用國家和地區(qū)	模式	信號名稱	幀速率，掃描速度（幀/秒）	垂直分辨率	行速率（線/秒）	圖像尺寸（寬×高）象素
NTSC	北美洲、中美洲、日本	單色	RS-170	30	525	15,750	640x480
NTSC	北美洲、中美洲、日本	彩色	NTSC Color	29.97	525	15,734	640x480
PAL	歐洲（除法國）、澳大利亞、非洲與南美洲部分地區(qū)	單色	CCIR	25	405	10,125	768x576
PAL	歐洲（除法國）、澳大利亞、非洲與南美洲部分地區(qū)	彩色	PAL Color	25	625	15,625	768x576
SECAM	法國、東歐、俄羅斯、中東與非洲部分地區(qū)	單色		25	819	20,475	N/A
SECAM	法國、東歐、俄羅斯、中東與非洲部分地區(qū)	彩色		25	625	15,625	N/A

[/table]12. 彩色編碼

對于所有的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，因此跟蹤絕對相位需要對彩色信息進行解碼。稱為彩色突發(fā)的參考信號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）。

對于所有的SECAM格式，兩個彩色成分使用兩個不同的子載波頻率進行頻率調(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。

13. 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

模擬視頻信號包含控制掃描從左到右逐行以及從上到下逐場進行掃描�？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）。

兩個交叉場合成一個完整幀。第一個場稱為奇數(shù)場，對視頻圖像的奇數(shù)行進行掃描。第二個場稱為偶數(shù)場，對視頻圖像的偶數(shù)行進行掃描。整個過程對每幀進行重復(fù)。

7. 活動圖像

掃描得到的活動視頻圖像總是具有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，在活動視頻圖像場的頂部和底部也同樣如此。這個額外的空間包含同步信號、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％都能夠傳送活動圖像信息。如下表所示，精確的數(shù)值依賴于視頻格式。

活動行代表了實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，只有在活動行序列中才傳送圖像信息，這比整行的持續(xù)時間短。舉例而言，在NTSC中，63.55 μs中只有52.2μs是活動行持續(xù)時間。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幀掃描圖像對在電視屏幕上可能出現(xiàn)的視頻顯示進行了模擬：

電視能夠顯示整條線，而不僅僅是活動圖像部分。
電視并非將兩個場進行隔行掃描得到完整的圖像幀，而是對整個幀逐行掃描。

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

這個過程對偶數(shù)場重復(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。之后的活動圖像（或ITS）顯示強度變化，其中較高的信號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)場提取的活動視頻信號行。關(guān)于視頻電平的更多信息，等參閱之前的視頻信號小節(jié)。

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

圖8：用于NTSC的場消隱與同步信號

圖9：用于PAL和SECAM的場消隱與同步信號

9. 完整的NTSC幀掃描

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

圖10：完整的NTSC幀掃描

圖10是一個灰度圖像，由于它代表了原始NTSC視頻波形的強度圖。色彩信息嵌入到這個波形中，還沒有進行編碼。

您可以看到左邊的信號色彩突發(fā)。點狀模式代表了正弦節(jié)拍的強度圖，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）。

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