视频采集系统基础理论研究
[摘要]在了解电视信号构成的基础上，如果采用视频解码芯片ADV7181B设计该视频采集系统，就必须掌握视频信号的相关理论知识。介绍视频信号的标准、书信号的传输和显示方式及模拟视频信号与数字视频信号的转换等相关的基础理论知识。
[关键词]视频信号 采集系统 数字化
中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1671—7597(2009)0210018－02
一、CCD摄像机介绍
视频采集首先要通过摄像头取得光学图像，再经图像传感器转化为视频数据。其中图像传感器是至关重要的元件，其功能是把光学图像转换为电信号，该信号能再现入射的光学图像。
电荷耦合器件CCD(charge Coupled Device)是七十年代发展起来的一种新型固体成像器件。CCD器件由光电转换、电荷存储、电荷转移以及信号输出几个部分组成。MOS电容器是构成CCD固体成像器件的基本单元。被摄物体的图像经过镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，加上行、场同步等信息，变成标准全电视信号。
在本系统采用的彩色摄像机采用的是SONY CCD摄像头，其分辨率为420线，电子快门、逆光补偿，NTSC制式，可进行自动增益控制及自动黑白平衡。
二、显示扫描原理
1、逐行扫描。在对一帧画面进行光电转换及电光转换的过程中，若扫描是一行一行从上到下依次进行，则称为逐行扫描，电子束沿水平方向的扫描称为行扫描。逐行扫描存在一个问题：为了使显示端显示的电视图像没有闪烁感，逐行扫描方式下电视图像的传送速率一般应达到50帧／秒，即帧频为50Hz。这样，对传输通道的带宽要求很高，同时也使电视设备复杂化。为了在不增加图像信号带宽的情况下，有效克服闪烁现象，电视系统采用了隔行扫描方式。传统的电视系统采用的都是隔行扫描方式。
2、隔行扫描。隔行扫描是指将一帧电视图像分成两场来扫描，第一场扫描画面的奇数行，这期间称为奇场；第二场再扫描画面的偶数行，这期间称为偶场。奇场和偶场图像嵌套在一起形成一幅完整的图像。
三、模拟视频信号源
视频采集系统采集的原始视频信号源为模拟视频信号源，同时，传统的电视信号也都为模拟信号。
(一)电视信号的制式
视频信号是一种模拟信号，由视频模拟数据和视频同步数据构成，用于在接收端准确地显示图像。信号的细节取决于应用的视频制式。全球视频制式分三种：NTSC制式、PAL制式和SCREM制式。
NTSC(National Television System Committee)制式是：NTSC制式是美国1953年研制成功的第一个兼容制彩色电视制式，按色度信号处理及传输特点，称为正交平衡调幅制。标准NTSC格式每秒三十帧(30Hz)、分辨率为525扫描线。
PAL(Phase Alteration Line)制式：此标准用于大多数欧洲国家、澳大利亚、中美和南美部分地区的商业广播。标准PAL格式显示时，每秒25帧(25Hz)、分辨率为625扫描线。
SCREM制式：东欧等国家采用的制式，也是针对N制式容易偏色的毛病而开发的，由于使用的较少，就不详细解释了。
当然，在嵌入式的视频采集中，由于要满足不同的用户需求，有时系统要工作在非标准的制式下。
(二)视频信号的组成
首先，介绍一下黑白视频信号的组成。黑白全电视信号指的是在黑白电视系统中传送的与图像内容及图像显示有关的信号，它包括三个主要部分，即图像信号、复合消隐信号、复合同步信号。这三种信号并不是分成独立的通道来传输，而是复合在一起，形成一个完整的电视信号。
1、图像信号。图像信号就是携带景物亮暗信息的电信号。
2、复合消隐信号。电视系统中，正程期间传送图像信号，逆程期间不传送图像信号。因此，若不采取措施，在使用电子束扫描的显像管中，电子束在逆程期间的扫描就会在屏幕上产生回扫线，从而对正程图像造成干扰，影响图像的清晰度。复合消隐脉冲的作用就是在行、场逆程期间使显像管中的扫描电子束截止，使其不干扰正程的图像信号。
3、复合同步信号。为了正确重现图像，要求收、发两端扫描必须严格同步。为此，发送端在传送图像信号和复合消隐信号的同时，还要提供一种称为复合同步信号的脉冲信号。复合同步信号也分为行同步和场同步两部分，分别叠加在行、场消隐脉冲之上，与消隐脉冲信号一起在逆程期间传送。
彩色电视信号与黑白电视信号是兼容的。在彩色电视的图像信号中，需要有两个最基本的信号，一个代表图像的亮度，称为亮度信号，另一个代表图像的色彩，称为色度信号。但是色度信号也占据了非常大的带宽，而在电视射频频带上，一个频道挨着一个频道，亮度信号已经把频带给塞满了，频带压缩、频谱交错和正交平衡调幅技术的出现解决了这个问题。一般模拟视频信号有三种：CVBS(复合视频)，YPrPb(分量视频)，Y/C(半分量视频)。本论文中所使用的解码芯片是完全支持三种不同信号的解码到YUV(YcrCb)数字信号的。
(三)YCbCr色彩编码介绍
在DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中，常用的色彩编码方案是YCbCr，其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有YCbCr4:2:0、YCbCr 4:2:2和YCbCr 4:4:4。4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量(YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG－4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4:2:2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV以及其它消费类视频设备的最常用格式；4:4:4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用。
本系统采用的是YCbCr 4:2:2色彩编码。下文中还提到YUV色彩编码，YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间，主要用于数字电视系统中。
四、视频信号数字化
由于模拟信号有分辨率低、显示效果差、有两色串扰等缺点，必须将其数字化以便进行相应的视频处理，提高视频的质量。通过A/D转换，模拟视频信号变成了YIN编码的数字信号。因为不论是在电视机还是CRT显示器，都是使用RGB三基色合成的方法来显示颜色。所以，在视频数据的显示前，要对电视信号进行YCrCb到RGB转换。根据制定的国际标准，RGB到YCbCr的转换
按照下面的公式(4－1)来计算。
五、模拟视频信号解码电路的设计及初始化配置
(一)ADV7181B芯片和寄存器功能介绍
1、INSEL寄存器的设置。ADV718lB共支持三种模拟视频输入信号：CVBS、Y/C和YPrPb。INSEL寄存器是输入信号选择寄存器，它的设置值对应三种不同输入信号，表5－1是INSEL的设置列表。这里的地址0×00是指的从设备的从地址，对于I2C总线来说，ADV7181B属于从设备。它的从设备主地址由I2C总线委员会给出，从地址就是各个寄存器的地址。
2、SB和HSE的设置。HSB[10:0]是Hs信号起始寄存器，地址0×34[6:4]，0×35[7:0]：HSE[10:O]是HS信号结束寄存器，地址0×34[2:0]，0×36[7:0]。
行同步信号(Hs)的设置包括：Hs信号的起始HSB，Hs信号的结束HSE，Hs信号的极性。Hs信号的起始边沿的位置通过设置HSB[10:0]的数值来决定，寄存器的值表示的是从Hs信号的下降沿到上升沿包含的像素点个数n。当检测到视频数据信号中出现EAV码时(FF，00，00，XY)，内部计数器的数值就会变为0，然后n个像素点后Hs信号出现上升沿。
Hs信号的结束边沿的位置通过HSE[10:0]的数值来决定，寄存器的值表示的是Hs信号的下降沿延续的时间。Hs信号的极性通过PHS寄存器设置，PHS＝0，Hs高电平有效，PHS＝1，HS低电平有效。
总之，Hs信号的位置由HSE，HSB的数值来决定，长度通过HSB－HSE来决定。表5－2画出了Hs信号负脉冲出现的位置和长度。
(二)模拟视频信号解码电路设计
本课题采用ADV7181B完成模拟视频解码处理。芯片完成CVBS等模拟视频信号到YCrCb数字信号的转换。模拟视频信号解码电路如图5－4所示。
(三)I2C总线介绍
ADV718lB具有I2C总线控制端口，通过I2C总线对其内部寄存器进行配置，从而完全控制ADV7181B的运行。下面对I2C总线的相关内容进行介绍。I2C总线是由荷兰菲利浦公司于80年代研制开发成功，并先后用于音频、视频集成电路。I2C总线由于其成本低的特性，是一种流行的二线制串行接口。通过简单的主／从协议，每个连接到总线上的设备都具有唯一的软件可编址的地址。
I2C总线由两条线组成，串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，它们用来在连接到总线上的设备之间传送数据，可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统。连接到总线上的每个器件都有唯一的地址和简单的主／从机关系，地址由固定部分和可编程部分组成，固定部分表示该类器件被分配的地址范围，可编程部分则决定在同一个I2C总线上该类器件最多可以挂的数目。I2C总线上的数据传输由启动信号START条件发起，停止信号STOP条件结束。开始和结束条件一般由主器件产生。总线在开始条件后被认为处于忙状态；在停止条件产生一段时间之后总线被认为再次处于空闲状态。启动信号和停止信号通过SCL保持高电平期间SDA线上信号电平的变化来表示。当SCL和SDA均为高电平时总线处于空闲状态；当SCL为高电平时，SDA发生由高到低的跳变时为开始信号；而当SCL为高电平时SDA发生由低到高的跳变时则为结束信号。传送数据位时，SCL高电平期间，要求SDA上传输的数据必须保持稳定，在此期间，主器件及从器件之间可以交换数据；在低电平期间，SDA上的数据可以变化。I2C总线的时序要求非常严格，只要符合时序规定，传输的错误率非常低。
作者简介：
侯国峰，男，黑龙江绥化人，绥化学院讲师，黑大在读硕士，主要从事软件工程的教学和研究工作。