（机械电子工程专业论文）视频信号的分析与评价方法及其实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 视频信号在传输过程中不可避免的被引入噪声和产生失真，从而在信号的目的地无 法真实重现原来的图像。通过对视频信号进行分析和评价，可以找出引入噪声和产生失 真的根源，从而采取相应的技术手段减少噪声和失真，使图像更加清晰的显示出来。因 此，提出通用的视频信号分析与评价方法，并在此基础上开发使用方便、性价比高的视 频信号分析与评价系统是十分必要的。 本论文建立了不同制式下视频信号亮度信噪比、色度信噪比、亮度频率特性、色度 频率特性的数学模型，对视频信号波形的失真和噪声进行量化，提出了视频信号波形的 分析与评价方法。并通过虚拟仪器开发工具l a b v i e w ，在系统开发中应用模块化程序 设计思想，对应视频信号发生器p x i 5 4 3 1 和高速数字化仪p x i - 5 1 1 2 ，编制了相应的程 序模块对视频信号波形进行采集、分析与评价，实现了视频信号波形的分析与评价系统。 此外，论文还建立了视频信号r g b ( r e d ，g r e e n ，b l u e ) 成分的数学模型，对视频信 号图像的质量进行量化，阐述了视频信号图像的分析与评价方法。通过虚拟仪器开发工 具i a b v i e w ，利用视频信号发生器p x i - 5 4 3 1 和视频图像采集卡p c i - 1 4 1 1 实现了视频信 号图像的分析与评价系统。利用从d v d 刻录机中测得的数据对系统进行了验证，证明 了视频信号的分析与评价方法的准确性。 本课题提出的视频信号分析与评价方法已经应用于d v d 刻录机的视频信号的分析 与评估实践，大大降低了测试系统的成本，提高了测试系统的效率。 关键词：视频信号；波形；图像；虚拟仪器 视频信号的分析与评价方法及其实现 v i d e os i g n a la n a l y s i sa n de v a l u a t i o nm e t h o da n di t si m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t n 玲v i d e os i g n a li si n e v i t a b l yd e g r a d e db yn o i s ea n dd i s t o r t i o na l t e rt r a n s m i s s i o n t h e r e f o r et h eo r i g i ni m a g ew i l ln o tb ep l a y e db a c k t h r o u g ha n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gv i d e o s i g n a l ，w ew i l lf i n dt h es o r r c eo f n o i s ea n dd i s t o r t i o n , t a k ec o r r e s p o n d i n gm e u s u r e $ t or e d u c e n o i s ea n dd i s t o r t i o n , a n dd i s p l a yc l e a r e ri m a g e i ti sv e r y n e c e s s a r yt op r o p o s eag e n e r a lv i d e o s i g n a la n a l y s i sa n de v a l u a t i o nm e t h o d , a n dd e v e l o pav i d e os i g n a la n a l y s i sa n de v a l u a t i o n s y s t e mw i t hs i m p l eo p e r a t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c e t h i sp a p e re s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fv i d e os i g n a l sl u m i n a n c es n r , e h o m as n r , l u m i n a n c ef ra n dc h r o m af ri nd i f f e r e n tf o r m a t s ，a n dm e u s l l r e st h ed i s t o r t i o n a n dn o i s eo f v i d e ns i g n a l sw a v e f o r m ，a n dg i v e st h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o nm e t h o do f v i d e o s i g n a l sw a v e f o r m t h r o u g hu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p i n gt o o ll a b v i e wa n da p p l y i n g m o d u l ep r o g r a m m i n gm e t h o d , p r o g r a mm o d u l e sa r ec o d e dt oa c q u i r e ，a n a l y z ea n de v a l u a t e v i d e os i g n a l sw a v e f o r mc o r r e s p o n d i n gt ov i d e os i g n a lg e n e r a t o rp x i - 5 4 3 1a n dh i g hs p e e d d i g i t i z e rp x i 一5 11 2 t h ev i d e os i g n a l s w a v e f o r ma n a l y s i sa n de v a l u a t i o ns y s t e mi s i m p l e m e n t e d f u r t h e r m o r e , t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fv i d e os i g n a l sr g b c o m p o n e n t s ，m e 龇e st h eq u a l i t yo fv i d e os i g n a l si m a g e ，a n dg i v e st h ea n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nm e t h o do fv i d e os i g n a l si m a g e t h r o u g hu s i n gv i l t u a li n s t r u m e n td e v e l o p i n gt o o l l a b v i e w ，v i d e os i g n a lg e n e r a t o rp x i - 5 4 3 1a n di m a g ea c q u i s i t i o nb o a r dp c i - 1 4 1l ，t h ev i d e o s i g n a l si m a g ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o ns y s t e mi sc a r r i e do u t n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o b t a i n e df r o mad v dr e c o r d e rh a v ev e r i f i e da n dd e m o n s t r a t e di t sa c c u r a c y 1 1 豫m e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sp u ti n t ou s ei nm e a s u r i n g 、r e c o r d a b l ed v d a sa r e s u l t , t h et e s te f f i c i e n c yh a si n c r e a s e dg r e a t l y k e yw o r d s ：v i d e os i g n a l ；w a v e f o r m ；i m a g e ；v i r t u a li n s t r u m e n t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注并口致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：皇卫壹日期：! 竺! ：! ! ：! ! 人连理j = 人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 型壹 翩虢主盏盏 兰! ! ! 年旦一月三生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景 视频信号主要应用于电视系统中。在电视系统中，通过发送端的光电转换把景物图 像变成视频信号，传送到接收端后，再经光电反变换重新显示出原来景物的图像。视频 信号由若干帧组成，每一帧视频信号由奇数场和偶数场组成，奇数场和偶数场视频信号 的波形如图1 1 、图1 2 所示【”。 图1 1 奇数场视频信号波形 f 适1 1 o d df i e l dv i d e os i g n a lw a v e f o r m 图1 2 偶数场视频信号波形 f i g 1 2 e v e nf i e l dv i d e os i g n a lw a v e f o r m 视频信号的分析与评价方法及其实现 每一场视频信号又由若干行组成，其中任意一行视频信号的波形如图1 3 所示。 图1 3 任意一行视频信号波形 f i g 1 3a n yl i n ev i d e os i 鲥_ a lw a v e f o r m 通过视频信号的传输，不仅极大的扩展了人们观看景物的距离，而且还使人们能够 观察黑夜中、物体内、显微镜下的景物。由于在传输过程中，视频信号不可避免的被弓| 入噪声和产生失真，从而无法真实重现原来景物的图像，对视频信号进行分析和评价， 可以找出引入噪声和产生失真的根源，从而采取相应的技术手段减少噪声和失真，使图 像更加清晰的显示出来【2 】。 视频信号的分析与评价方法与电视系统密切相关，视频信号的细节取决于电视系统 的制式。目前世界上主要的电视系统制式有三种：n t s c ( 美国全国电视标准委员会， n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ) 、p a l ( 逐行倒相，p h a s ea l t e m a t el i n e ) 、 s e c a m ( 顺序传送与存储彩色电视系统，s e q u e n t i a lc o u t e u ra v e cm e m o i r e ) ，三种制式 无法统一。其中，我国使用的是p a l 制式。但是无论在何种制式下，视频信号的分析与 评价方法大致是相同的【】。 国外对视频信号的研究早在一百多年以前就已经开始了，许多生产视频设备的公司 对视频信号分析与评价方法的应用贯穿于设备的整个制造流程，通过对设备输出的视频 信号进行分析和评价，可以检测设备是否满足设计和生产要求，发现设备在设计和生产 过程中出现的问题。 大连理工大学硕士学位论文 以日本的松下公司为例，在d v d 亥i j 录机的生产过程中，利用检测系统对d v d 刻录 机输出的视频信号进行分析和评价，检测视频信号的部分参数，判断设备是否满足设计 和生产要求。在设备制造完成后，利用精密测试系统对d v d 刻录机输出视频信号进行分 析和评价，检测视频信号的全部参数，判断设备是否满足使用要求。 而国内对视频信号分析与评价方法的应用仍处于初步阶段。国内大部分公司仍旧停 留在手工作坊阶段，在视频设备的生产过程中，对设备输出的视频信号不进行分析和评 价。在设备制造完成后，仅依靠人工用肉眼检测设备是否满足使用要求。 目前，视频信号已有的分析与评价方法主要集中在视频信号波形的噪声和失真、视 频信号图像的质量两方面。首先，通过专用的视频信号发生器产生特定的测试信号，如 白电平信号、品红电平信号、彩条信号、亮度多波群信号、色度多波群信号等等，将测 试信号输入到待测的视频系统中；然后，通过专用仪器测量视频系统输出信号波形的亮 度信噪比和色度信噪比等参数，可以定量的计算出视频信号中噪声的大小；通过数字示 波器测量视频系统输出信号波形的亮度频率特性和色度频率特性等参数，可以定量的计 算出视频信号失真的程度；通过专用仪器测量视频系统输出信号图像的r g b 成分等参 数，可以对视频信号图像的质量进行定量的评价。视频信号已有的分析与评价系统主要 由专用仪器组成，一般分为视频信号产生和视频信号采集两部分1 5 1 。 但是针对视频信号波形噪声和失真、视频信号图像质量的数学模型，视频信号已有 的分析与评价方法提出了各不相同的定义，导致其测试结果之间没有可比性。除此之外， 一些分析与评价方法仅对部分视频信号波形噪声和失真、视频信号图像质量的数学模型 进行了定义，无法完整地反映视频系统的特性。组成视频信号分析与评价系统的专用仪 器操作复杂，大部分的测试项目均由专业人员手动完成。少数专用仪器提供串口总线或 g p i b 总线，可以通过计算机控制实现自动化测试。但这些仪器功能单一、价格昂贵，难 以扩展和升级。因此，需要提出一种通用的视频信号分析与评价方法，对目前常用的视 频信号波形噪声和失真、视频信号图像质量的数学模型进行定义，并在此基础上开发使 用方便、性价比高的视频信号分析与评价系统，实现对视频信号的自动化分析与评价。 1 2 本论文的主要工作及意义 基于以上的观点，本论文试图阐述视频信号的分析与评价方法，通过虚拟仪器开发 工具l a b v i e w 实现视频信号的分析与评价，并应用于实际d v d 刻录机的在线测试。 论文研究工作包括以下方面： ( i ) 在分析测试需求的基础上，选择虚拟仪器技术作为视频信号分析和评价的平 台； 视频信号的分析与评价方法及其实现 ( 2 ) 选择l a b v m w 作为虚拟仪器的开发工具； ( 3 ) 完成系统的硬件设计，包括各个模块的板卡选型和硬件功能分析。如视频信号 发生器p x i 5 4 3 1 、视频信号波形的采集设备p x i 5 1 1 2 、视频信号图像的采集设备 p c i - 1 4 1 i ； ( 4 ) 给出计算视频信号波形失真和噪声、视频信号图像质量的数学模型，提出视频 信号波形和图像的分析方法；给出视频信号波形和图像分析结果的范围，提出了视频信 号波形和图像的评价方法； ( 5 ) 通过虚拟仪器开发工具l a b v i e w ，利用视频信号发生器p x i 一5 4 3 1 、高速数字 化仪p x i - 5 1 1 2 和图像采集卡p c i - 1 4 1 1 ，实现了视频信号波形和图像的采集、分析与评 价； ( 6 ) 编程、调试各个模块，最后将系统应用于实际测试工作，利用从实际系统中获 得的数据来验证视频信号波形和图像分析与评价方法的可行性和准确性。 本课题拟融会数字信号处理、虚拟仪器技术、测控技术及计算机技术等知识，实现 d v d 亥i j 录机的视频信号的在线精密测试，从而极大地满足提高测试效率、适应大批量生 产及测试的需要。如获成功，将具有非常积极的意义，如： ( 1 ) 可有效地提高生产效率，将公司原有的测试方法更新，新的测试系统能满足生 产线在线测试的目的，单件测试周期由原来的4 小时降为3 0 分钟，提高效率8 倍； ( 2 ) 在提高生产效率的同时，保证测试精度； ( 3 ) 降低d v d 刻录机装配测试成本； “) 能满足多种型号的刻录机同时在线测试，可定制测试流程； ( 5 ) 整个系统的设计可根据测试要求变更而升级。 大连理工大学硕士学位论文 2 视频信号分析与评价的平台 2 1视频信号分析与评价平台的选择 目前主要使用传统仪器或虚拟仪器对视频信号进行分析和评价。所谓传统仪器是指 用于产生和测量视频信号的、难以根据用户需要进行调整的专用仪器，如日本s h i b a s o k u 公司的视频信号发生器t g 7 1 b x 和视频信号分析仪v n 3 1 a x 。而虚拟仪器的概念是由 n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司于上世纪八十年代最早提出的。虚拟仪器是现代计算机技 术和测控仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项主要技术。实 际上，所有传统测量仪器从功能上都可以分为三大部分：数据采集、数据分折和结果输 出。其中数据分析和结果输出都可以在计算机上通过软件来实现，因此只要另外提供一 定的数据采集硬件，就可构成由计算机组成的测量仪器。虚拟仪器正是在这样的认识上 提出来的。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户自行设计定义，具有 虚拟面板，测量分析功能由软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作 虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。这一概念的核心是以计算机作为仪器的硬件 支撑，充分利用计算机的数据运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等功能，把传 统仪器的专业功能软件化，使之更加紧密地与计算机融为一体，构成一种从外观到功能 都与传统仪器相似，但在实现时却主要依赖计算机软硬件资源的全新仪器系统【6 l 。 虚拟仪器的出现，缩小了仪器厂商与用户之间的距离。虚拟仪器使得用户能够根据 自己的需要定义仪器的功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制，出现厂商提 供的仪器功能与用户要求不相符合的情况。虚拟仪器彻底打破了传统检测设备由厂家定 义，用户无法改变的模式。虚拟检测技术给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间， 用户可以随心所欲的根据自己的需求，组建更好的测试系统，并且更容易增强系统的功 能。由于计算机能提供远胜于仪器内部的处理能力，因此，借助于不同功能的传感器和 数据采集板。用户就可以通过软件构造几乎任意功能的仪器，同时还可以很快的跟上计 算机技术的发展，升级重建自己的功能。 虚拟仪器是仪器观念的一次巨大变革，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学 技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。它是将来仪器产业发展的一个重 要方向。传统仪器是硬件为仪器功能实现的主体，而虚拟仪器是以计算机为基础，用软 件实现仪器功能的，两者在结构上有着很大的差异，与传统仪器相比，虚拟仪器有以下 几个特点【7 - 9 ： 视频信号的分析与评价方法及其实现 ( i ) 测量精度高。 由于采用虚拟仪器软件设计技术的测量系统是在计算机控制下进行的，它最大限度 的消除了人为操作因素对测量精度带来的影响，因此提高了测量精度。 ( 2 ) 测量速度快。 由于测量输入信号只需要一个数据模块，就可通过数据处理器将信号特性计算出 来，因此可以缩短测量时间，提高测量速度。 ( 3 ) 硬件费用低。 由于虚拟仪器是由硬件平台和软件平台组成的，硬件可以根据需要进行任意组合， 软件可以根据需要任意修改。系统的硬件需求少，因此降低了仪器的硬件费用。 ( 4 ) 系统功能扩展性好。 由于虚拟仪器设计的主要工作是在对虚拟仪器软件的开发，其功能的升级实际上是 对虚拟仪器软件所完成功能的进一步完善和扩充。因此，提高了虚拟仪器的功能扩展性。 ( 5 ) 系统更新周期短。 由于虚拟仪器是建立在计算机技术和数据采集技术基础之上的，这类技术发展非常 迅速，使虚拟仪器的更新周期由传统仪器的5 年至1 0 年缩短到1 年至2 年。 ( 6 ) 入机界面友好、操作简单易行。 由于虚拟仪器软件一般为w i n d o w s 下标准的应用程序，其界面与w i n d o w s 界面有相 同的风格及操作方法。通过操作虚拟面板上的各功能单元的控件就可以完成一项或多项 操作。 以上这些优点是传统仪器无法比拟的。决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具有 的优点的根本原因在于：虚拟仪器的关键是软件。由此可见，虚拟仪器系统是对传统仪 器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用计算机系统的 强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面 的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。正是基于以上的特点，本课 题选择虚拟仪器作为视频信号分析与评价的平台。 2 2 虚拟仪器开发工具的选择 按照测试的要求在计算机上定义一台虚拟仪器，必须要有功能强大的编程软件。设 计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。因此，提供应用软件开发 工具的软件平台技术也相应快速发展。现在可用于虚拟仪器编程的软件较多，按编程方 式来说，可分为文本式和图形化两种。一种是基于传统的文本式语言的开发平台，包括 大连理工大学硕士学位论文 m s 公司的v i s u a lc + + ，b o d a n d 公司的c + + b u i l d e r ，d e l p h i ，n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 等：一种是基于图形化编程语言的平台，包括n i 公司的l a b v i e w ，i - i p 公司的v e e 等。 在过去，一个测量系统的软件通常用v c + + ，v b 等工具编写，作为通用的编程软件， 它们功能强大，灵活，可以从系统低层编起，然而，同样对开发人员的编程能力和对仪 器硬件的掌握要求较高，而且开发周期长。采用图形化编程的优势是软件开发周期短、 编程容易，特别适合不具有专业编程水平的工程技术人员使用。现在虚拟仪器软件最流 行的趋势之一是图形化编程环境。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s 仃m n e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种以图形化编 程语言为基础设计虚拟仪器的软件开发环境，它采用全新的图形化编程技术，直观、易 学、易用，是测控领域工程师进行虚拟仪器开发的工业标准软件。l a b v i e w 是n i 公司 的软件产品，自1 9 8 6 年1 0 版本问世至今已升级到8 5 版本。从简单的仪器控制、数据 采集到过程控制和工业自动化系统，到处可见l a b v i e w 的应用。 l 抽v w 是为替代b a s i c 、c 等常规语言设计的，除了编程方式不同以外，具有常 规语言的所有特性，所以，l a b v i e w 不仅仅是一个功能比较完整的软件开发环境，而是 一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，所以又被称为g 语言。l a b v i e w 程序被称为虚拟仪器，是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。由于l a b v i e w 所使 用的术语、图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多 少编程经验，同样也能利用l a b v i e w 来开发自己的应用程序 t o , t t 。 l a b v i e w 的核心是v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。v i 有一个人机对话的用户界面：前面板 ( f r o n tp a n e l ) 和类似于源代码功能的方框图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自方框图的指令。 在的前面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的方框图； 而指示器( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。 用l a b v i e w 编制出的是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶层程序，也可用 作其它程序或子程序的子程序。一个用在其它中，称之为s u b v i 。s u b v l 在调用它 的程序中同样是以一个图标的形式出现的。l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概 念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成 许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设计 s u b 完成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的v i i l 。 目前l a b v i e w 己经成为在数据采集、检测、数据分析等方面领先的开发软件，正是 基于以上的特点，本课题选择l a b v l e w 作为视频信号分析与评价的平台。 视频信号的分析与评价方法及其实现 2 3 虚拟仪器开发工具l a b v i e w 的主要特点 l a b v i e w 包含基本的数据类型，如整形、浮点型、布尔型和数组。每一种数据类型 均可以为控件( 输入量) 、显示( 输出量) 或常数量( 只在后台程序中，不在前面板显示) 三 种状态中的一种。流程图中不同的数据类型具有不同的颜色，很好区分。l a b v i e w 还包 含一些特殊的类型，如图表( c h a r t ) 、图形( g r a p h ) 和簇( c l u s t e r ) 。数组是一组相同类型 的数据构成的可变大小的集合，而簇是一组由相同或者不同类型的数据组成的大小不可 变的集合，类似于c 语言中的s t r u c t u r e 。图表与图形为波形显示器，图表可以显示动态的 波形，而图形只能静态显示波形。 l a b v i e w 具有程序设计语言基本的三种结构：顺序、选择和循环，通过这三种结构 控制着程序的数据流。顺序结构( s e q u e n c es t r u c t u r e ) 类似于一组有编号的电影胶片，根 据编号顺序执行框中的程序代码。除此之外，由于l a b v i e w 采用数据流方式设计，每个 程序节点均由连线连接，这实际上是一种隐含的顺序结构。编程时采用数据流本身的隐 含顺序而非强制顺序能大大提高代码的执行效率。选择结构( c a s es t r u c t u r e ) 是条件控制 跳转结构，根据输入的条件执行子程序。l a b v i e w 中的循环结构分为两种：w h i l e 循环 ( w h i l el o o p ) 和f o r 循环( f o rl o o p ) 。w h i l e 循环需由用户来判断循环条件，程序执行时 动态分配内存。f o r 循环事先指定循环次数，执行时预先分配内存。w h i l e 循环和f o r 循环 是g 语言编程中最基本的结构体。在对内存管理要求十分严格的实时系统中，f o r 循环是 我们提倡的循环方式。 除了这三种基本结构之外，l a b v i e w 提供一种称为公式节点( f o r m u l a n o d e ) 的特殊 结构。公式节点是一个用于直接向方框图内输入公式的可变大小的方框。方框内可以使 用标准c 语言格式输入一个或多个复杂公式，而不用创建流程图的很多子程序，因为图 形化的g 语言不擅长公式计算。公式节点可以简明方便地计算公式结果。 l a b v i e w 提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板( t o o l sp a l e t t e s ) 、控制模板 ( c o n t r o l sp a l e t t e s ) 和功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e s ) 。工具模板提供用于图形操作的各种工 具，诸如移动，选取，设置卷标、断点，文字输入等等。控制模板则提供所有用于前面 板编辑的控制和显示对象的图标以及一些特殊的图形。功能模板包含一些基本的功能函 数 1 3 - t 5 】。 l a b v i e w 程序的运行机制就宏观上讲己经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结 构的执行方式了。传统的计算机语言( 如c 语言) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被并行 机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式。简单地说，就 是只有当所有的输入数据都准备好的时候，一个节点才能执行其功能，当节点执行完后， 大连理工大学硕士学位论文 它所有的输出端口都会产生一个数据值。数据都是从源端流到目的端。数据流不同于执 行一个传统程序的控制流方法( 通过执行一系列的指令来实现的) 。控制流执行是指令驱 动，而数据流执行是数据流驱动或依赖数据的。 这里提到的节点是程序执行的元素。它们类似于传统编程语言中的状态、操作、函 数和子程序。l a b v i e w 包含广泛用于数学计算、比较、转换、输入输出的函数库。另一 类节点类型是结构。结构就是传统编程语言的循环、条件描述的图形表示，不断的重复 和执行代码。l a b v i e w 也提供了用于连到外部基于文本的代码和用于计算基于文本的公 式的特殊节点。在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系 统、计算机等因素的影响l l6 ”j 。 一9 一 视频信号的分析与评价方法及其实现 3 视频信号的产生和采集 视频信号的分析与评价系统主要由视频信号产生和视频信号采集两部分组成。其 中，视频信号采集又分为波形采集和图像采集两部分。下面对视频信号产生、视频信号 波形采集和视频信号图像采集分别进行介绍。 3 1 视频信号的产生 3 1 1 视频信号产生设备的选择 本课题中采用了n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e a a t s ) 公司的视频信号发生器p x i 一5 4 3 1 ，如图3 1 所示。 图3 1 视频信号发生器p x i 一5 4 3 1 f i g 3 1 v i d e o s i g 【l a lg e n e r a t o rp x i - 5 4 3 1 p x i - 5 4 3 1 为高精度复合视频信号发生器，符合n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e n l c o m m i t t e e ) 、p a l ( p h a s ea l t e r a t i o nl i n e ) 和s e c a m ( s e q u e n t i e lc o u l e u ra v e em e m o i r e ) 标准，拥有2 0 m h z 采样频率，可在2 0 0 0 m h z - 2 0 0 1 m h z 范围内调整，以适应不同模式 的色度频率。 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 p x i 5 4 3 1 兼容i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 仪器的驱动软件，支持 s - v i d e o 和r g b 的多模式同步，拥有4 0 多个可调整的视频参数，支持m - n t s c 、 b g - p a l 、m p a l 、n p a l 和s e c a m 视频模式。并且，n i 公司提供i t s ( i n s e r t i o nt e s t s i g n a l s ) 线的完整库【1 8 】。 p x l 5 4 3 1 主要应用在需要高精度复合视频信号的场合，在本课题中，p x i 一5 4 3 1 用 于产生高精度复合视频信号。 3 1 2p x i - 5 4 3 1 物理特性 p x i - 5 4 3 1 的前面板如图3 2 所示。 图3 ，2p x i 一5 4 3 1 前面板 f i g 3 2p x r 一5 4 3 1f r o n tp a n e l p x i - 5 4 3 1 拥有1 个模拟输出通道v i d e oo u t ，该通道用于输出模拟视频信号，接 口为b n cf e m a l e ，输出阻抗为5 0 0 h m 或7 5 0 h m ；1 个数字输出通道s y n c o u t ，该通 道用于在p x l 5 4 3 1 开始输出模拟视频信号时发送t t l 电平，接口为b n cf e m a l e ；1 个 视频信号的分析与评价方法及其实现 数字输入通道e x tt r i g ，该通道用于接收t t l 电平，接口为s m bf e m a l e l1 个数字输 出通道m a r k e r o u t ，该通道用于发送1 v r l 电平，接口为s m b f e m a l e ；1 个模拟输入 通道p l l r e f ，该通道用于接收p l l 参考时钟，接1 3 为s m b f e r n a l e1 个数字通道v i d e o d i g i t a lp a t t e r n ，该通道用于输出数字视频信号、发送数字参考时钟、提供+ 5 v 电 源、发送和接收t t l 电平，接口为5 0 - p i nv h d s c s i ( v e r yh i g h - d e n s i t ys m a l lc o m p u t e r s y s t e mi n t e r f a c e ) 。 3 1 3p x l - 5 4 3 1 输出特性 ( 1 ) p x i 5 4 3 l 的分辨率为1 2 位。 所谓分辨率就是模数转换的位数，模数转换的位数越多，分辨率就越高，可表示的 最小电压就越小。当分辨率足够高时，数字化信号才能有足够的电压表达能力，从而能 比较好的表现原始信号。p x i 5 4 3 1 的分辨率为1 2 位，它可以将模拟输出电压量化为 2 ”= 4 0 9 6 份。 ( 2 ) p x i - 5 4 3 1 的带宽为8 m h z ，频率范围为0 至8 m h z 。 当信号发生器输出正弦信号时，幅度衰减为实际幅度的7 0 7 时的频率点称为带宽， 该频率点又称为3 d b 点。 ( 3 ) p x i 5 4 3 1 拥有1 个模拟输出通道，p x i - 5 4 3 1 的更新速率为2 0 m s s ，最大更新 速率为4 0 m s s 。 更新速率通常用更新次数来描述，表示为单位时间内更新的次数。如2 0 m s s ，表 示每秒更新2 0 x 1 0 6 次；4 0 m s s ，表示每秒更新4 0 x 1 0 6 次。 ( 4 ) p x i - 5 4 3 1 拥有3 个数字触发通道。 触发通道用于发送和接收触发信号，所谓触发信号，一般是指能够引起一个操作( 如 数据采集) 的信号。当配置一个触发信号时，必须首先确定触发一个什么操作，以及如 何得到触发信号。 ( 5 ) p x i 5 4 3 1 支持数字触发，p x i - 5 4 3 1 的触发种类有单次( s i n g l e ) 触发、连续 ( c o n t i n u o u s ) 触发、脉冲( b u r s t ) 触发、阶跃( s t e p p e d ) 触发。 ( 6 ) p x i - 5 4 3 1 支持外部时钟输入，p x i 5 4 3 1 的内部时钟频率为4 0 m h z ，外部时钟 输入最大频率为4 0 m h z 。 ( 7 ) 当负载阻抗为5 0 0 h m 时，p x i 5 4 3 1 的电压输出范围为士5 v ；当负载阻抗为高 阻时，p x i 5 4 3 1 的电压输出范围为士1 0 v 。 大连理工大学硕士学位论文 ( 8 ) p x i 5 4 3 1 符合n 了s c 、p a l 和s e c a m 标准，支持m 刑陌s c 、b g p a l 、m p a l 、 n p a l 和s e c a m 视频模式。 n t s c 是国家电视系统委员会( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 的缩写，该标 准主要用于美国、加拿大、日本、韩国和菲律宾等国家，n t s c 标准分为m n t s c 和 n - n t s c 等视频模式；p a l 是逐行倒相( p h a s ea l t e r a t i o nl i n e ) 的缩写，该标准主要用于 中国、德国、英国、新加坡、澳大利亚和新西兰等国家，p a l 标准分为b g - p a l 、d p a l 、 i - p a l 、m p 札和n - p a l 等视频模式：s e c a m 是顺序传送与存储彩色电视系统 ( s e q u e n t i e l c o u l e u r a v e c m e m o i r e ) 的缩写，该标准主要用于俄罗斯、法国和埃及等国家， s e c a m 标准分为d k - s e c a m 等视频模式。 3 1 4p x 卜5 4 3 1 系统原理 l o f i l t e r ，0d b a t t e r 堋i z o r , a ；r e 呦s ( 6 3 d b h l 由暑t e 畔) 图3 3p x i 一5 4 3 1 系统原理图 f i g 3 3p x i - 5 4 3 1s y s t e ma r e h i t e x t u t e p x - 5 4 3 1 的系统原理如图3 3 所示，p x - 5 4 3 1 可以输出模拟视频信号，其具体过程 如下： ( 1 ) 将1 2 位的数字波形数据传送到高速d a c ，高速d a c 输出模拟波形数据。通 过增益d a c 和偏移d a c 可以调整高速d a c 输出数据的增益和偏移。 ( 2 ) 高速d a c 输出的模拟波形数据通过低通滤波器传送到前置放大器。 ( 3 ) 前置放大器输出的模拟波形数据通过1 0 d b 衰减器传送到主放大器。 ( 4 ) 选择负载阻抗为5 0 0 h r a 或高阻。 视频信号的分析与评价方法及其实现 ( 5 ) 令主放大器输出的模拟波形数据通过一系列衰减器。 ( 6 ) 选择输出阻抗为5 0 0 h m 或7 5 0 h m 。 ( 7 ) 将衰减器输出的模拟波形数据通过p x i 5 4 3 1 前面板的模拟输出通道v i d e o o u t 输出”9 1 。 3 2 视频信号波形的采集 3 2 1 视频信号波形采集设备的选择 视频信号属高频信号，对视频信号进行采集需要集成了高速模数转换器件的仪器或 模板。大带宽的数字示波器，如l c c r c l y 4 2 4 ，是典型的高频信号捕捉仪器。而n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 公司的高速数字化仪p x i 一5 11 2 ，则是一款典型的基于p x i 总线的模块化仪 器，可完全满足n t s c 或p a l 制式视频信号的采集要求，如图3 4 所示。 p x i - 5 11 2 拥有大容量的板载采集内存、高模拟带宽、宽广的模拟输入范围，并且价 位合理。同时，p x i - 5 1 1 2 基于高速p x i 总线，因而能以大大高于g p i b 仪器的速度采集 和处理大型的波形。因此。能够更加快速地进行测量，从而降低总体测量时间。 图3 4 高速数字化仪p x i 一5 1 1 2 f i g 3 4h i g hs p c e dd i g i t i z e rp x i - 5 11 2 大连理工大学硕士学位论文 p x i - 5 1 1 2 具有2 n s 精度的时间信息，可以2 通道同步采样，带宽为1 0 0 m h z 。p x i 5 1 1 2 支持1 0 0 m s s 实时采样，2 5 g s s 随机隔行扫描采样，输入范围为士2 5 m v 至+ 2 5 v ，最大 d c 偏移为士3 7 v 。此外，p x i - 5 1 1 2 拥有1 6 m b 或3 2 m b 大容量内存的多记录捕捉模式【2 m 。 p x i - 5 1 1 2 主要应用在需要高速采集数据的场合。在本课题中，p x i 5 1 1 2 用于采集 视频信号。 3 2 2 p x | - 5 1 1 2 物理特性 p x i 一5 1 1 2 长度为2 1 6 c m ，宽度为1 3 e r a ，高度为2 e m 。拥有2 个模拟输入通道c h 0 、 c h l ，接口为b n cf e m a l e ，输入阻抗为1 m o h m 或5 0 0 h m , 1 个模拟触发通道t r i g ， 接口为b n cf e m a l e ；1 个数字触发通道p f il ，接口为s m bf e m a l e ；1 个数字触发通道 p f l 2 ，接口为9 - p i n d i n ，其前面板如图3 5 所示。 酉 ，邕月籀盖一 囝 io 磁；嚣 ；o ! o 斑 图3 5p x i 一5 1 1 2 前面板 f i g 3 5 p x i - 5 1 1 2 f r o n t p a n e l 视频信号的分析与评价方法及其实现 3 2 3p x i - 5 1 1 2 输入特性 ( 1 ) p x i - 5 11 2 的分辨率为8 位。 所谓分辨率就是模数转换的位数，模数转换的位数越