视频信号的获取与处理

视频信号的获取与处理
3.1.1 颜色的基本概念
多媒体计算机处理图像和视频，首先必须把连续的图像函数f (x,y) 进行空间和
幅值的离散化处理，空间连续坐标(x,y)的离散化，叫做采样；f(x,y)颜色的离散化，
称之为量化。两种离散化结合在一起，叫做数字化，离散化的结果称为数字图像
亮度、色调、饱和度
Y 亮度： 光的强和弱。
H 色调： 光的波长、人眼的感觉(反映)颜色(的基本特征)。
S 饱和度： 颜色渗入白光的程度(表示)颜色深浅的程度。
红 + 白光 粉红色 饱和度下降
红 + 另一种颜色的光 色调发生变化
三基色(RGB)的原理：
自然界常见的各种颜色光，都是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，
同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝
三种色光，这就是色度学中最基本的原理—三基色原理。
RGB 和黑白电视信号不兼容，希望空中发射的信号转换成YUV 信号。
当白光的亮度用Y 来表示时，它和红、绿、蓝三色的关系可用如下方程描述：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
3.1.2 彩色空间
1. RGB 空间
任意颜色的光F，其配色方程可写成：
F= r[R]+ g[G]+b[B]
其中r、g、b 为三个系数 r =1 红色
规格化之后 r+g+b=1 则 g =1 绿色 b =1 兰色
2 . YUV 和 YIQ 彩色空间
PAL 用 YUV 空间
NTSC 用 YIQ 空间
亮度 Y
色差 U V
Y = 0.3R + 0.59G + 0.11B
U = m (B-Y) = 0.493 (B-Y)
V = n (R-Y) = 0.877 (R-Y)
把 B-Y、R-Y 叫色差。
Y 0.3 0.59 0.11 R
U = -0.15 -0.29 0.44 G
V 0.61 -0.52 -0.096 B
Y=0.3R+0.59G+0.11B
用YUV 和YIQ 的好处：
(1). 亮度信号Y 解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题。
(2). 大量实验表明，人眼对色差信号不敏感，而对亮度信号特别敏感。
Y 带宽4.43MHz（PAL） （因为敏感）
U、V 带宽1.3MHz (因为不敏感)
(3). 传输电视信号
(4). 量化比例
由于人眼对亮度信号敏感，选择量化的比例为：
Y:U:V= 8:4:4
Y:U:V= 8:2:2
Y:U:V= 8:8:8
3.1.3 彩色空间的转换
1. RGB 与YUV 和YIQ 之间的转换
Y 0.3 0.59 0.11 R
U = -0.15 -0.29 0.44 G
V 0.61 -0.52 -0.096 B
Y 0.3 0.59 0.11 R
I = 0.6 -0.28 -0.32 G
Q 0.21 -0.52 0.31 B
选YIQ 好处：
大量实验统计，人眼对红黄之间的颜色变化最敏感，而分辨蓝和紫之间颜色变化最不敏感。
所以把相角为123 的橙色及其相反相角的 303 的青色定义为I 轴。
与I 正交的色度信号轴，通过33 — 0 —213 线，叫Q 轴。
NTSC 制的YIQ ,它与YUV 的区别：
关系：
I = V Cos33 - U Sin33
Q = V Sin33 + U Cos33
2. HSI 空间
H：Hue 代表纯度、颜色
S： Saturation 代表饱和度
I： Intensity 代表亮度
HSI 彩色空间与RGB 彩色空间之间的转换例: 黄色=>蓝色
R 143——>31
G 143——>31
B 31——>255
H 60——>240
S 180——>180
I 105——>105
3.1.4 黑白和彩色全电

视信号
电视摄像机是一种广泛使用的视频和图象的输入设备，它能将景物、图片等光
学信号转变为全电视信号，目前主要有黑白和彩色两种摄像机。
1. 黑白全电视信号
全电视信号主要由三个部分组成：图象信号，复合消隐信号，复合同步信号
从时间上看全电视信号：
一帧 = 奇数场 + 偶数场
625 行= 312.5 + 312.5
场消隐 = 25 X 64 + 11.8
= 1600 + 11.8
= 1611.8 μs
场同步 = 3 X 64 = 192 μs
从幅度上看全电视信号：
峰——峰 值为1 伏
以同步信号作为100%，黑电平和消隐电平为70%，白电平为0%，图像信号介于白电平和黑电平
之间，根据图像的灰度而变化。
在标准的1V 全电平信号中
同步信号 0.7V--1V 0.3V+9mV
图像信号 0V--0.7V 0.7V+20mV
2. 彩色全电视信号
在现代彩色电视系统中，通常采用YUV 彩色空间或YIQ 彩色空间，Y 为亮度
信号它可以与黑白全电视信号兼容，U 和V 用到载波频率Wsc 调制加到亮度 Y 上，
最后形成彩色全电视信号，如下式所示
CVBS=Y+ U Sin wsc t + K V Cos wsc t
wsc = 4.44KHz
K = +1
在NTSC 制系统中，U 信号调制在副载波的零相位上，而V 信号是固定地调制在的相位上的。在
AL 制系统中，调制情况略有差别。最后将亮度、复合同步信号混合放大 ，形成PAL 制彩色全电
视信号。以100%幅度和100%饱和度(简写为100/100)的彩条信号为例的彩色全电视信号如图所
示。
3.2.1 视频采集卡的功能简介
目前，广为流行而功能较单一的视频采集卡有新加坡Creative Labs 公司的Video Blaster SE，
Video Blaster SE100，Video Blaster FS200 和 Video Blaster RT300 等。它们只能接收AV
信号，不能收看电视节目，多用于与录像机或摄像机相接。还有如Video Plus，它其实是一块
TV 转VGA 的转换卡。另外有一些具有组合功能的几合一卡，如北京银河公司的四合一卡、台湾
丕文公司的PV123 三合一卡，都是集视频采集、MPEG 解压、电视于一身的卡，只不过这些卡并
没有标准、形形色色，难以一概而论。
3.2.2 黑白视频信号获 取器的工作原理
（一）同步分离电路
1. 同步分离电路
找到行同步（奇数场和偶数场）、场同步。同步信号在0.7V~1V，使用限幅（切头）放大器
2. 把场同步和行同步分开
用积分器和微分器
微分 行同步信号
积分 场同步信号
3. 奇数场和偶数场
区别：奇数场的场同步的开始和行同步一致，偶数场场同步在行同步一半处开始
（二） 锁相和时序电路
1.检相器
锁相系统保证相位差不变。
如果相位差变化， 则调整振荡频率，以确保相位差不变。
检相器的任务：
把相差 电压，控制电压保持不变，以保证相差不变。
2.压控振荡器
用变容二极管，电压控制电容改变，电容控制

振荡频率变化。
振荡频率为10MHz。
3.分频器
640 分频， 640 计数器。
4.校正
采用负反馈，锁相精度高。
（三）A/D 变换器
将获取的信息保存起来后，就要进行A/D 变换了。A/D 变换 的方法很多，用的比较多的是逐次
比较法。
（四） 帧存储器的设计
帧存储器（Frame Buffer）的设计要求：
1. 0.1us 从摄象机读一个数据，存到帧存储器中
2. 0.1us 从帧存储器中读一个数据到监视器中
3. 0.8us 计算机随机读/写FB。
条件: DRAM 的读/写时间0.2us(200ns)
（五）D /A 变换及显示输出
3.2.3 数字锁相和数字解码
数字式锁相
离散时间振荡器
离散时间振荡的输出信号
数字式解码
用滤波器将Y 分离出来
用带通滤波器得到C*
3.2.4 彩色视频信号获取 器的工作原理
1. A/D 变换和数字解码
2. 窗口控制器
3. 帧存储器系统
帧存储器的主要作用有三个：
(1). 从摄像机来的视频信号，经过A/D 变换，数字解码，在视频窗口控制器的控制下，
将 他们实时的村到帧存储器，大约74ns 存一个像素数据。
(2). 彩色监视器每隔74ns 要从帧存储器去一个像素数据，经D/A 转换，变成模拟的RGB
信 号，供彩色监视器显示帧存储器中真彩色全屏幕运动图像使用。
(3). 计算机可以通过视频窗口控制器，对阵存储器的内容进行读写操作。
4. 数模转换和矩阵变换
这部分由两个器件组成，即D/A 转换器
SAA9065 和视频信号处理器TDA4680。
5. 视频信号和VGA 信号的叠加
由于两路信号均为模拟信号，因此使用了模拟开关电路实现两信号的叠加
色键：Color Key
6. 数字式多制式视频信号编码部分
这部分只选用了数字或多制式视频信号编码器SAA7199。它是以数字方式
进行视频信号编码的编码器，支持PAL 和NTSC 两种制式
视频信号获取器的诊断和驱动软件
在设计制造视频信号获取器的过程中，为了调试硬件的正确性，并给用户提供方便的编程环境，
还需要设计：诊断软件、在DOS 和Windows 环境下的演示软件，应用软件以及库函数
3.3.1 静态图像文件格式
图像文件格式有两类，一类是静态图像文件格式；另一类是动态视频图像文件格式。对于静态图
像文件格式，将讨论六种当前比较流行的图像格式：GIF、TIFF、TGA、BMP、PCX 及MMP；对于动
态视频图像文件格式，将简单介绍一下MPG、AVI 等文件格式 。
1. GIF（Graphics Interchange Format）
GIF 文件格式是由Compu－Serve 公司在1987 年6 月为了制定彩色图像传输协议而开发的，
它 支持64000 像素的图像，256 到16M 颜色的调色板，单个文件中的多重图像，按行扫描的
迅速 解码，有效地压缩以及硬件无关性。
2. TIFF（Tag Image File Format）
鉴于GIF 文件格式，为了放弃一些

过时的格式引进了标志域的方法，而TIFF 文件格式全部
都 是基于标志域的概念。Alaus 和Microsoft 公司为扫描仪和桌上出版系统研制开发了TIFF
较 为通用的图像文件格式，TIFF 一出现就得到广泛的应用，这大大超过了设计者的想象，
TIFF 文件格式。
3. TGA（Targe Image Format）
TGA 图像文件格式是Truevision 公司为Targe 和Vista 图像获取板设计的TIPS 软件所使用
的 文件格式，Targa 和Vista 图像获取板插在PC 机上得到了广泛的应用，因此，TGA 图像文
件格 式的应用也变得越来越广泛。TGA 图像文件格式结构比较简单，它由描述图像属性的文
件头 （Header）以及描述各点像素值的文件体（Body）组成
4. BMP（Bitmap）
BMP 是一种与设备无关的图像文件格式，它是Windows 软件推荐使用的一种格式，随着
Windows 的普及，BMP 的应用会越来越广泛。BMP 是一种位映射的存储形式，其结构如3.60 图
所示。
5. PCX
PCX 图像文件格式是Zsoft 公司研制开发的，主要与商业性PC-Paint brush 图像软件一起
使 用。PCX 文件可以分成三类：各种单色PCX 文件；不超过16 种颜色的PCX 文件；具有256
颜色 的PCX 图像文件。PCX 图像文件格式与特定图形显示硬件密切相关，其格式一般为256
色和 16 色，不支持真彩色的图像存储，存储方式通常采用RLE 压缩编码，读写PCX 时需
要一段 RLE 编码和解码程序。
6. MMP
MMP 图像文件格式是Ani－Video 公司以及清华大学计算机系，在他们设计制造的Ani－
Video 和TH－VideoⅠ、Ⅱ、Ⅲ视频信号采集板中采用的图像文件格式。根据最近几年新的 发
展趋势，为了使视频数据能和电视视频信号兼容，它的图像数据采用YUV 的形式，这和计 算
机图形数据（RGB）有较大的不同，因此，它的通用性不如前面几种格式。
3.3.2 动态图像压缩编码文件格式
关于动态图像的文件格式目前在多媒体计算机中常用的有：MPG、AVS 及AVI 等
MPG（MPEG）是ISO/IEC 1993 年8 月1 日正式颁布的国际标准。MPG 数据流结构分为六个层次：
序列层（Sequence layer）
图像组层（Group of Picture）
图像层（Picture）
片层（Slice）
宏块层（Macro block）
块层（Block layer）
AVS 和AVI 是Intel 和IBM 公司共同研制的DVI（Digital Video Interactive）系统动态图像文
件格式，AVS 文件格式只能在DVI 系统硬件支撑下才能读写，这样系统的硬设备投资比较大，为
了降低系统造价，Intel 公司最近又推出了Indeo 系统，它可以在Microsoft 公司的Video for
Windows 支持下，用软件播放AVI 文件。
AVS 文件格式比起图像文件格式能够提供较多的灵活性，它能够支持多个数据流同时操作。例如
一个AVS 文件可以包括一个视频和两个立体声音频数据流。

更复杂的情况，一个AVS 文件可以包
括4 个视频数据流和4 个音频数据流，可以一个多窗口视听效果播放，或者是应用程序希望播放
4 个视频数据流中的一个，需要时立即切换到另一个。
在DVI 和Indeo 系统中，保存AVS 和AVI 文件的介质，通常是CD-ROM，硬盘和RAM，只能使用二
进制代码的单数据流，因此AVI 和AVS 文件中的多数据流只能采用下图所示方法，将多数据流定
义变成单数据流文件，这是AVS 和AVI 的最基本格式，正因为如此，有些人把AVS 或AVI 文件格
式称为视频和音频交替存放文件（Audio/Video Inter leaved）。