（通信与信息系统专业论文）复合视频信号全数字处理系统.pdf

d i s s e n 撕0 nf o rm s i n2 0 1 0 1 l i l l 洲1 1 1 | i i l l i f i i f f | 1 1 1 i i l 19 0 2 9 7 5 u i l i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：51 0 81 2 0 2 0 6 9 e a s tc h i n an o m a lu n i v e r s i t y f u l l yd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m o f c o m p o s i t e v i d e os i g n a l 院 专 业： 研究方向： 指导教师： q 塑幽堕n i 垡丛i q 卫星! 坠l 垒幽煎i q 墼s y 墨! 昼班 旦i g i ! 鱼! 墨ig 坠垒! ! q 曼曼墨墨i 塾g 墨墨q 鱼i 堑曼! q ! 堡墨墨q ! ( 丝堡丝g 旦丝垡丝g m a y ，2 0 1 1 啪y 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文复合视频信号全数字处理系统，是在华东师范 大学攻读恧z 博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢 意。 作者主名：兰趣 日期：如1 1 年岁月1 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 复合视频信号全数字处理系统系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导 下完成的硕士博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本 人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如 国家图书馆、中信所和“知网送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华 东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学 位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印 或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、) 2 不保密，适用上述授权。 聊签名茗鼗 本人签名基遗熊 训1 年多月弦日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 王渲壁硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 郑正奇教授华东师范大学信息学院通信系主席 马潮副教授华东师范大学信息学院通信系 韩定定副教授华东师范大学信息学院通信系 华东师范大学硕士学位论文摘要 摘要 随着数字计算机的发展，数字信号处理技术在各领域得到广泛的应用。在视 频信号领域，对传统的模拟视频信号进行数字化处理和信号分析，从而对信号质 量进行改善、评估或在不同显示设备上进行显示，也成为一种市场需求。 目前模拟视频解码一般采用分量数字化方式，在模拟信号上完成亮色分离得 到或y i q 信号，再对各信号分量分别进行数字化后，转换到r g b 空间。 本论文旨在建立一个以全数字方式处理模拟视频信号的平台，借助软件分析，依 据数字信号处理的理论和实验观察的结果，以实现各处理模块的最优效果为基 础，并从整体上进行优化调整，构建一个具有较高转换质量的复合视频信号全数 字处理系统。论文研究的主要内容如下： 1 ) 在总结电视信号基本结构、主要参数以及发展现状的基础上，阐述模拟 视频信号发射、接收技术相关的理论基础，包括图像扫描、彩色编码、信号压缩 及同步信号分离等； 2 ) 对复合视频信号数字编解码的各种关键技术进行研究，并从自动同步检 测、自适应色度灰度分离、数字软件锁相环等视角探讨复合视频信号全数字解码 的改进方向，通过对比调整，理论归纳与实验结论相结合，对各种理论的可行性 与性能做出评估； 3 ) 根据对各算法的评估结果，综合考虑各种方法的处理效果、处理速度、 适用范围和内在关系，总结归纳出一种优化的处理模式，整合出一套可用于各类 不同特性视频图像的具备良好自适应特性的信号处理原理系统。 4 ) 为检验系统的稳定性、对比处理结果的优劣，本课题将在总结提升信号 处理手段的基础上，对复合视频信号全数字处理的结果进行评价，在图像清晰度 评价手段方面作尝试性探索。 关键词：复合视频信号；数字信号处理；l a b 匣w ；自适应y c 分离；模块化 仪器； 华东师范大学硕士学位论文a b s t r a c t ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 fc o m p u t e r d i 百t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s 、i d e l yu s e di nv a “o u s6 e l d s i l lt h ep a 瓯c o m p o s i t ev i d e op r o c e s s i n gi sc o m p l e t e di n a n a l o gw a yb u ti nt h e s ed a y sd i 百t a la r c h i t e c t u r ei su s e df o ri m p r 0 v i n g ，a s s e s s i n gt l l e q u a l i 锣0 fv i d e os i g l l a la j l de x t e n d i n gt 0m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n s t h eg e n e r a ld i g i t “d e c o d i n gm e t l l o df 0 rv i d e oi sc o m p o n e n t sd i g i t a l ，t h a tf i r s t s e p a r a t et h ei n c o m i n gc o m p o s i t ev i d e os i g n a ji n t ol u m i n a n c ea n dc h r o m i n a n c es i g n a l s ， s u c ha sy u vo r q ，t l l 锄d i 舀t i z et l l 锄s e p a r a t e l y 孤dc o n v e r tt or ( ms p a c e t h i s p a p e ri sc o n d u c t e dt op r e s 朗ta 如l l yd i 百t a is t m c t u r eo fac o m p o s i t ev i d e os i g n a l p r 0 c e s s i n gs y s t e mc a p a b l eo f0 p t i m i z ee a c hm o d u l eb a s e do ne x p 丽m e n t a l r e s u l t sa n d t i l ed i g i t a ls i g i l a l p 雠e s s i n gt l l e o 吼锄dp e r f o r i l l i n gh i 曲q u 以i 锣f r o mt h e0 v e r a l l a d j u s t m e n t t h em a j o rc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，s u m m 撕z et l l eb a s i cs t r u c t u r e ，p r i m a 眄p a r 锄鼬e r s 锄dd e v e l o p m e n ts t a t u s o fv i d e 0s i g i l a j ，e x p o u n dt l l et h e o 哆0 fv i d e os i g n a lc o d i n gt r 眦s m i s s i o na n dd e c o d i n g i n c l u d i n gi m a g es c 锄， c o i o rc o d i n g s i g l l a l c o m p r e s s i 册，s y n cs i 鲈a l e x t r a c t i n g 铋ds o o n s e c o n d ，c 0 n s i d e rt l l e 向n i l e ri m p r o v e m e n to fd i g i t a lp r 0 仪：s s i o nf o rv i d e of o m 锄协够n cd e t e = c t i o n ，蚓0 a d a 阳v ey 圮s 印a r a t i o n ，胁a r ed i g i t a lp l l 锄ds o 伽 m o r e o v e f ，弱s st l l ep e r f o r m a n c e 柚df e a s i b i l i 锣o fd i a e r e n tm e t h o d sf 而m t l l e o r e t i c a j 锄a l y s i sa n de x p 耐m e n t a lr e s u l t s t h i r d ，a c c o r d i n g 舔t i l ep r o c e s s i n ge 髓吐c a l c u l 撕v es p e e d ，s c o p e 锄di n t e m a l r e l 撕o n sb e 研e e nd i 疏r e n t 撕t 量l m 萌c ，蛳sp a p e rp r o p o s 觚。皿m a ld i 百t a l 访d e 0 p r o c e s s i n gs y s t e mt h a t 谢m9 0 0 ds e l f 二a d a p t a b i l i 锣a n da p p l yt 0v i d e os i 舶a j0 f d i 氐r e n tf e a n j r e s f 叫n l l ，i no r d e rt 0t e s tt 1 1 es y s t e ms t a b i l i 够a n dj u d g et l l eq u a l i 锣o ft h eo u t p u t i m a g e ，t i l i sp a p e r 谢l ln yt 0e v a l u a t et l l er e s u l t0 ft h ep r o c e s s i n gs y s t 锄，a i l de x p l o r e t h ee v 甜u 撕o n0 fi m 鸭er e 鲥u t i o n k e yw o r d s ：c o m p o s i t ev i d e os i 鲈a l ；d s p ；l a b v 匝w ；s e l f - a d 印t i v ey s 印a u r 撕0 n ； m o d u l a ri n s t m m e n 伽o n 华东师范大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。 第一章绪论。1 1 1 课题背景及意义1 1 2 电视信号综述3 1 - 3 虚拟仪器及l a b e w 。4 1 4 论文的研究内容与章节安排s 第二章电视信号概述。7 2 1 电视信号7 2 1 1 扫描同步信息。7 2 1 2 消隐信息。9 2 1 3 灰度信息1 0 2 1 4 色度信息1 1 2 1 s 复合视频信号1 3 2 2 电视信号发生原理1 4 2 3 电视信号接收原理2 1 2 4 本章小结2 2 第三章复合视频信号全数字构建2 3 3 1 调整图像尺寸2 3 3 1 1 图像宽度调整2 4 3 1 2 图像高度调整。2 6 3 2 信号数据量。2 6 3 3 增益与偏移量2 7 3 4 构建电视信号2 8 3 5 本章小结2 9 第四章复合视频信号全数字解码3 0 4 1 自动增益检测3 1 4 2 亮色分离。3 2 4 2 1 滤波器类型3 2 4 2 2 非自适应滤波3 s 4 2 3 自适应、k 分离3 6 4 3 同步信号检测3 8 4 3 1 行同步检测3 8 4 3 2 场同步检测4 0 4 4 色度解 周4 2 4 4 1 分离色同步信号4 2 4 4 2 色度解调软件锁相4 3 4 5p a l 制色度信号解调。5 0 4 5 1u v 分离梳状滤波器。s o 4 s 2p a l 行、n t s c 行判定5 4 4 6 重采样技术s 4 4 6 1 重采样滤波器原理5 6 华东师范大学硕士学位论文 目录 4 6 2 重采样基准点s 5 8 4 6 - 3 逐行重采样5 8 4 7 图像解码与显示s 9 4 8 本章小结6 0 第五章图像质量评价6 1 5 1 图像质量评估理论6 1 5 2 图像质量评估方法6 2 5 3 实验结果：6 2 s 4 本章小结6 3 第六章总结与展望6 4 6 1 本文的研究内容和主要成果6 4 6 2 存在的不足和未来工作的展望6 4 附录1自适应滤波效果。6 6 附录2重采样滤波效果7 0 参考文献7 2 j 改谢7 5 i v 华东师范人学硕十学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着多媒体时代的来临，电视信号处理技术与电脑和通讯技术越来越紧密的 结合在了一起，其应用涉及视频帮助窗口、视频会议、视频预览技术( 同时观看 多个电视频道) 、视频编辑和视频教程等。以往电视信号多以模拟信号方式进行 处理，如今，利用数字信号处理算法，可以达到提高处理质量、扩展应用范h 爿的 目的。 目前f 行场上的电视电脑转接设备主要是电视卡，可分为外置电视接收盒、 内置式p c i 电脑视频卡、u s b 电视盒、视频转换盒四种【。 1 ) 外置电视接收机形如调制解调器，无需软件支持，可直接配合电脑v g a 显示器收看电视节目，一般支持即插即用，提供a v 端子( c o m p o s 沁v i d e o c o n n e c t o r ，又称复合端子) s 端子( s e p a r a t ev i d e o ，即分离式影像端子) 输入、 多功能遥控、多路视频切换等普通电视机的基本功能，电视盒性能稳定、安装简 单、清晰度优于内置产品，但通常不能进行窗l j 播放，无法在同一屏幕下进行多 任务操作，也不支持视频捕捉硐i 采集； 2 ) 内置式电脑视频卡则可以在操作系统下实现多任务操作，一般提供标准 电视接收功能以及不同程度的视频捕捉功能( 捕捉视频信号将其转换为数据流) ， 但易受电磁干扰，影响播放质量，并且使用时必须在操作系统下通过软件才能进 行收看； 3 ) u s b 电视盒主要用于在笔记本 ：观看电视，一般具有图像采集录像功能； 4 ) 视频转换盒则用于将计算机的内容显示在电视上。 随着人们对图像信息的需求越来越大，对各类视频显示器、播放器精准度的 要求也越来越高，而目前市场上电视数字信号处理设备使用的各种处理算法，均 存在易对某些特殊图像造成损害的问题，影响显示的清晰度，引起变暗、雪花、 重影、波纹等干扰和颜色、对比度的失真，其处理质量还有待改进的空间。 复合视频信号全数字解码处理的重点问题有： 1 ) 复合同步信息自动提取。在复合视频信号中，时间信息与图像信息叠加 1 华东师范大学硕士学位论文绪论 复合后在同一信道中传输，因此在接收端，必须提取信号中的时序信息，还原出 正确的时序信号，如垂直场同步( v j y n c ) 、水平行同步( h - s y n c ) 、奇偶场信息、 v b i ( v e r t i c a lb l a n k i n gi n t e r v a l ) 脉冲、色载波同步窗口、扫描宽度、有效图像行范 围等。随后的解码处理过程中将陆续使用到这些时序信息。 2 ) y c 分离技术。复合视频信号中，图像的色度( y - l u m i n a n c es i g n a l ) 与灰 度( c h r o m i n a n c e ) 信息也复合在同一信号内，接收端使用y c 分离器将信号分隔 为亮度和色度信号。本文将提出一种改进的自适应y - c 分离滤波器，并提供详 细的架构设计和实验数据。 3 ) 软件锁相锁频。y c 分离后的色度信号是一个幅度调制信号，要对该信 号进行解调，首先要锁定载波信号的频率和相位。在全数字处理系统中，无法使 用传统的模拟锁相环电路，因而必须探索一种能快速准确的锁定载波频率与初相 位的软件数字锁相处理算法。 4 ) 色度解调技术。复合视频的色度信号通常由两个色差信号分别调制后加 和构成，与调制副载波相关的色度相位携带着色调信息，色度幅度携带的是饱和 度信息。因此确定色载波频率与初相位后，需通过调制解调技术恢复出色差信号。 5 ) 图像行重采样技术。采样视频信号中一行图像信号的宽度( 采样点数) 是 由采样速率决定的，一般情况下该宽度与标准的图像宽度( 像素点数) 不符，因此 需要通过一个重采样滤波器将其调整到标准图像宽度上。重采样的另一目的是对 齐采样行，消除行同步点的采样误差。具体的问题描述和解决方案将在正文巾给 予详细说明。 本课题震点对复合视频信号的全数字解码方法进行研究，借鉴国内外自动同 步枪测、亮色分离、重采样、图像质量评估方法等研究成果作为理论基础，从理 论分析入手，通过实践检验，对理论方法进行实验观察和对比分析，重点考察各 种方法的处理效果、处理速度、可行性和适用范围，进而探索一种具有稳定的自 动检测能力和良好自适应功能的处理模式，建立起综合性的复合视频信号全数字 处理系统，为实现高质量显示器材测试系统提供依据，并对该系统的产品化发展 提出建议。 2 华东师范大学硕士学位论文绪论 1 2 电视信号综述 视频信息在不同的设备间进行传输时，需要满足各种不同的要求，因此电视 信号在近百年的时间里，发展出了各种不同的类型和实现技术。 c v b s 是最早使用的电视视频输入信号标准，由于在同一信号中包含了色 差、亮度、同步、消隐等构成视频图像所需的所有信息，因此称为复合视频信号 ( c o m p o s i t ev i d e o ) 。c v b s 目前仍是普遍使用的一种传统图像数据传输方法，但 复合方式决定了其结构较复杂，在解码过程中涉及多项信号处理技术，几乎不可 避免的会导致亮度、色度信息的串扰和清晰度的降低，因此本课题将重点针对复 合视频信号进行研究。直观的说，c v b s 接口就是电视机上的黄色信号输入口， 如下图1 1 。v c d 机、v h s 录像机使用的都是c v b s 信号。 图1 1c v b s 接口 s v i d e o ( s e p a r a t c d e o ) 在c s 的基础上保持了亮度( 和色度( c ) 视频信号 的分离，二者分别使用各自独立的传输通道进行传输，避免了亮色信号的串扰， 提高了图像清晰度；但色度信号中还是复合了两路色差信号c r 、c b ，这样仍会 带来一定的信号损失，同时也限制了色度信号的带宽i2 1 。s v i d e o 接口如下图1 2 。 图1 2 s v i d 接头 y p b p “色差) i3 】信号则是直接将蓝色差p b 、红色差p r 两个色差信号和灰度 信号y 分别使用三根线来传输，而不必再将色差信号调制和复合为色度信号， 图像效果得到进一步的提高。色差信号接口的种类有很多，各知名电器制造商都 3 华东师范大学硕十学位论文绪论 发展出了自己的色差视频信号接口，例如法国p e r i t e l 公司开发的s c a r t 接口是 欧洲用于卫星电视接收机、电视机、录像机及其它音视频设备上的互连互通接口， 美国则使用3r c a 色差分量接口以及v g a 输出接口。 v g a ( v i d e og r a p h i c s a l l r a y ) 是i b m 公司于1 9 8 7 年提出的一个视频传输标 准，v g a 信号将模拟的r 、g 、b 信号及行同步h 信号、场同步v 信号分开来， 通过一种3 排1 5 针的端子使用一根v g a 线传输【4 1 。v g a 端了通常用于电脑显 示器等设备，接口如下图1 3 。 图1 3 v g a 接口 1 3 虚拟仪器及l a b e w 虚拟仪器【5 】最初由美国国家仪器公司( n i ) 提出，其核心思想是将以往使 用硬件仪器完成的信号处理工作尽可能的交由计算机软件完成，即“软件就是仪 器”。虚拟仪器技术是计算机和模块化仪器发展的产物，用户仪需要少量的通用 硬件资源，配合计算机的强大数据处理能力，就可以根据自己的需要构造出灵活 多样的仪器设备，改变了传统的由生产厂家定义仪器功能的模式。随着计算机技 术的飞速发展和测试测量领域需求的不断扩大，虚拟仪器已成为当前计算机辅助 测试和工业自动化控制的重要发展方向【8 1 。 通常一台虚拟仪器由作为信号输入输出设备的模块化硬件、p c 机以及具备 所需信号处理功能的应用软件构成。根据模块化硬件互连总线的不同，可将其分 为【7 】p 1 2 g p i b 总线方式、p 总线方式、v 总线方式等。虚拟仪器应用软件的 开发环境则有s u 出c + + 、v i s u a l b 雒i c 、h p 公司的v e e 和n i 公司的l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c 等。 p ( p c ie x t e n s i o 璐f o ri n s 劬n l e n t a t i o n ) 1 4j 总线技术是在p c i ( p e r i p h e r a l 4 华东师范大学硕十学位论文 绪论 c o m p o n e n ti n t e r c o 彻e c t ，外围组件互连) 总线的基础上扩展而米的，不仅充分发 挥了p c i 总线在软件和电气特性方面的优点，还提供了更多的定时和同步功能 【1 3 】，从而能保证多设备、多通道间精确的同步触发【1 ，更加符合构建大型高精 度集成系统的需要。p x i 系统通常由p x i 机箱、p x i 背板、系统控制器( c p u 模 块) 及若干外设模块构成【1 0l 。外设模块和控制器通过p x i 机箱捅槽同定在机箱 上，并通过背板上的总线互相通信i9 1 ，利用p x i 良好的同步、触发功能【1 2 1 协调 工作。 l a b v i e w 【6 】p 2 ( l a b o r a t o r yv i n u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw b r k b e n c h ) 是n l 公 司开发的一种基于图像化编程语言的虚拟仪器软件开发：r 具，n l 公司在其驱动 程序库中为各种总线的i o 通信设备提供了标准接口，使得开发人员可以通过 l a b v l e w 库函数以近乎透明的方式对仪器进行控制。l a b v i e w 还提供了包含数 据采集、数据分析在内的多种数据处理函数库，为信号的采集、测量、分析打下 了良好的基础。同时，为实现与常规编程语言间的兼容，l a b v i e w 提供了动态 链接库函数调用、c 语言接口等功能。目前，l a b v i e w 已成为广泛应用于工业 测试和工业控制领域的图形化软件开发集成环境。 1 4 论文的研究内容与章节安排 本论文将在分析视频信号传输与处理的关键技术的基础上，对数字全电视信 号处理问题进行研究，针对自动同步检测、亮色分离、重采样等重点问题，理论 分析与实验观察相结合，探索一种具有广泛适用性的处理模式，结合l a b v i e w 软件开发平台的强大的数据处理能力和n i p x i 硬件设备的良好的数据采集功 能，设计并建立起一套完整的复合视频信号全数字处理系统。同时，对图像清晰 度评价手段进行探索，为评价处理质量提供依据。 本文主要内容的章节安排如下： 第一章绪论。介绍电视信号数字化处理的研究背景，对电视信号数字化处 理设备的发展现状进行了较为系统的总结，概括和简述了模拟电视信号的类型、 结构和优缺点。阐明了本文的重点研究内容、研究意义以及研究手段，并简单介 绍了文章的内容安排。 第二章电视信号概述。介绍电视信号相关的理论知识，先对电视信号基本 s 华东师范人学硕士学位论文 绪论 结构进行阐述和解释，在详细了解了电视信号组织原理的基础上，对信号实际传 输过程中采用的生成和接收机制做具体介绍。 第三章复合视频信号全数字构建。介绍通过数字处理方法进行全电视信号 发生的机制，对数字全电视信号生成算法的难点问题进行详细介绍，并对信号构 建过程做简单演示。 第四章复合视频信号全数字解码。按照电视信号数据处理的流程顺序，分 别对数字全电视信号处理的各种关键技术进行讨论，在分析已有处理方法的摹础 上，给出各处理模块改进的算法，并最终将各模块整合为一个完整的处理系统。 第五章图像质跫评价。介绍图像清晰度评价的各种理论，从中挑选适用于 电视图像清晰度评价的算法，最终通过实验证明本文算法对于提高信号处理质量 的有效性。 第六章总结与展望。对研究中的问题和成果进行总结，指出尚存在的不足， 同时提出系统进一步改进和完善的方向。 6 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 第二章电视信号概述 模拟视频信号不论采用何种电视接口，信号中都必然包含了构成视频图像所 需的全部信息，这些信息是如何用信号表示、又以何种方式传送和恢复的，这将 是本章重点介绍的内容。本章将通过复合视频信号( c s ) 对模拟视频信号结构 做详细介绍，并以n t s c 制和p a l 制信号为例阐述模拟视频信号的生成与接收 机制。 2 1 电视信号 视频信号的主要构成信息包括灰度信息、色度信息、扫描同步信息和消隐信 息，灰度信息包含的是黑白图像信息，色度信息携带着图像的色彩信息，扫描同 步信息用于确保图像行和场的正确分布，消隐信号则用于保证消除扫描逆程中的 回扫线。下面将分别对这四个信号进行详细的介绍。 2 1 1 扫描同步信息 1 ) 行同步信号与场同步信号 图像信息是二维信息，而电视信号是一维信号，由图像到信号的过程是依靠 扫描完成的。通过对图像自上而下、每行依次从左到右的扫描，由点到面，将二 维图像每一点的信息采集下来转换为一系列有序的一维信号。 对电视接收机来说，图像在显示屏上能够停留的时间很短，而人眼对图像的 捕捉速度又有限，因此要看到显示屏上的影像，显示器就必须不停的对影像进行 连续不断地刷新。电子束从显示屏上方至下方扫描一个来回称为一个场，包含了 一次完整的图像刷新所需信息的信号就称为一场信号。 综上所述，为保证在电视信号接收端能够准确的辨识出图像的行和场的位 置，就需要在电视信号中加入扫描同步信息，保证每行图像信号到达之前都会先 有一个行同步信号到达，同样每一场信号开始前也会有一个场同步信号。模拟视 频信号通常以一个大大低于图像信号幅度的负脉冲( 这里是对正极性图像信号而 言，若对负极性图像信号而言则为大大高于图像信号幅度的正脉冲，正、负极图 7 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 像信号的定义见2 1 3 ) 表示同步信息，并以脉冲宽度区分行同步与场同步，其具 体表现形式将在第三章( 复合视频信号全数字构建) 中给出详细说明。 最后需要说明的是，行扫描同步信号和场扫描同步信号、包括消隐信号在内， 都只是作为位置识别信息存在的，并不直接用于生成扫描信号。接收端的扫描信 号，是根据己知的电视制式标准信息、由专门电路产生的，同步信息只是起到在 时域上对扫描信号定位的作用。 2 ) 隔行扫描 事实上，由于人眼具有一定的视觉惰性与分辨力，为保证观众能够清楚地看 到显示屏上的图像，每秒内显示器上的图像至少要刷新4 8 次，每幅图像 | 描行 不能少于5 0 0 行，根据上述指标计算出的电视信号频带非常宽，这会大大提高电 视传输设备的成本。于是人们就提出了隔行扫描的方式，隔行扫描是将一帧电视 图像分成两场进行扫描，第一场扫出光栅的l 、3 、5 、7 奇数行，第二场扫 第2 、4 、6 、8 偶数行，包含奇数行信息的场称为奇数场，包含偶数行信息 的场称为偶数场；这样，每帧图像经过两场扫描，所有像素完全扫完，既保证了 扫描行数和场频，又降低了信号带掰2 0 j p 5 4 。隔行扫描光栅示意图如图2 1 所示。 2 4 【e ) 嵌套后的图像 图2 1 隔行扫描光栅示意图 ( a ) 奇数场；( b ) 奇数场到偶数场的逆程；( c ) 偶数场；( d ) 偶数场到奇数场的逆程；( e ) 嵌套后的一帧图像 有的电视信号结构描述中会提到，隔行扫描中为了使第二场光栅恰好嵌在第 一场光栅的中间，每一场图像( 扫描正程) 必须包含半个扫描行，并由此提出每一 帧图像的扫描行数必须为奇数行，且奇数场的半行在最末、偶数场的半行在开头， 8 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 上面的扫描光栅示意图也体现了该要求。但需要特别说明的是：上述说法是建立 在为接收端显像管连续扫描提供便利的基础上，所说的“半个扫描行”也只是指显 像管扫描时仅显示了半行信号，而并非要求电视信号内必须含有呈现为“半个图 像行”状态的信号段，大多数情况下我们在信号发生端构建图像信号时并不考虑 “奇数个图像行”和“半行”的问题，而是一帧信号内包含完整的偶数个图像行；在 接收显示端则由场扫描同步信号和行扫描同步信号相：巨配合，控制显像管：1 = = 作， 形成前面描述的“每场图像( 扫描正程) 内有半个扫描行”的现象。对于不使用显像 管扫描的显示设备来说，则不需要考虑半行图像的问题，例如本文中使用的电视 信号数字处理技术便是如此。 3 ) 开槽脉冲与前后均衡脉冲 开槽脉冲与前后均衡脉冲都是为了解决视频显示设备中扫描信号发生电路 的不稳定情况而加入的同步脉冲，这些不稳定情况都是对于使用模拟手段处理电 视信号的设备而言的，对数字处理设备来说没有特别的意义，在此仅作简单介绍。 因为场同步脉冲持续的时间较长，在这段时间内由于没有行同步信息，行扫 描信号发生器的震荡器将处于无控制的状态，于是在场同步结束后( 即下一场图 像信号到来之际) ，行扫描信号生成电路要经过较长时间才能恢复同步，这将影 响图像上边沿部分的显示质量。为避免上述情况，可在场同步脉冲期间插入若干 小脉冲，并保证这些小脉冲的触发沿与原来行同步脉冲触发沿相位一致，以此起 到在场同步脉冲期间代替行同步脉冲的作用，消除图像上边沿的不同步现象。这 些小脉冲就是开槽脉冲。 前后均衡脉冲则是由于奇偶场的场同步与最近的行同步距离不同引入的，由 图2 1 扫描光栅也可以看到，奇数场的起始位置距前一行同步有一个行正程加半 个行逆程的时间，而偶数场的起始位置距前一行同步为一个行逆程加半个行正程 的时间，这会导致同步分离积分电路输出结果的不同，使场扫描信号生成电路产 生的奇偶场扫描时间长度之间有所偏差【1 5 】p 1 4 。为避免这种情况，在场同步脉冲 的前后插入若干称为前后均衡脉冲的小脉冲，保证奇、偶两场扫描时间相等。 2 1 2 消隐信息 显示器的显像管电子束在行逆程和场逆程中都应保持停止发射状态，以保证 9 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 在电子束回扫的过程中荧光屏上不会出现干扰影像。为达到上述目的，在行逆程 和场逆程期间，要保证图像信号电平不在图像显示电平范围内或等于黑色电平， 这样的图像信号电平就称为消隐电平。消隐信号脉冲的宽度通常等于或略大于扫 描逆程开寸间，复合视频信号还利用行、场消隐期间传送行、场同步信号。 2 1 3 灰度信息 黑色到白色之间的过渡色称为灰色，灰度就是图像像素点灰色信息在这一范 围内所达到的层次。灰度信息就是图像的黑白影像信息，有时也称为亮度信息。 通过对影像自上全下自左至右的扫描，由摄像管将明暗不同的影像经过光电 转换而得的电信号就是图像的灰度信号。 图2 26 阶灰度图像及信号；左：原图像；右：相应的一行正极性灰度信号 如上图2 2 所示的图像信号可见，当图像最亮( 白色) 时，对心的电压信号幅 度最大，这种信号称为正极性图像信号；若图像最暗时对应的电压信号幅度最人， 则称为负极性图像信号；右图所示为左图图像一个扫描行正程内的信号波形，完 整的灰度信号中包含了许多这样的信号行。 亮度单位地 图中纵轴的单位i r e ( i 璐t i h j t eo f r a d i oe n g i n e e r s ) 是广播工程协会的缩写，也 是电视信号亮度的单位，它规定了一个o 到1 0 0 之问的标度范围，用于定义广 播电视信号的亮度级别。从低到高的i r e 值表示视频信号递增的亮度级。i l 冱规 格规定，0i i 强表示消隐信号( b l a n l 【i n g ) ，1 0 0i r e 则表示最亮的亮度顶点。 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 2 1 4 色度信息 色度信号包含了图像的色彩信息，可以用r 、g 、b 三基色来表示。一副彩 色图像，首先通过分色系统，被分解为红绿蓝三幅基色光，再通过逐点扫描和光 电转换，将三副基色光转换为三组电信号，就得到了图像的色彩信号。 对于多信道传输的电视信号技术来说，可以直接传送三组基色信号，但是对 于复合视频信号( c v b s ) ，为了实现黑白电视与彩色电视的相互兼容，就需要保 证色度信号能够在与灰度信号相同的带宽内进行传送，这意味着不能直接传送 r 、g 、b 三基色信号，因为每一基色信号带宽与黑白图像信号相同，三个基色 所占频带总和将达到灰度信号的三倍带宽。 事实上，三基色与灰度之间是存在着数量上的函数关系的，且根据彩色电视 制式的不同，令所规定的标准白光和显像三基色荧光粉有所不同，会使得该函数 关系稍有区别；n t s c 制式使用的函数关系式如下： y = 0 2 9 9 尺+ o 5 8 7 g + o 11 4 b 公式2 1 这就是彩色电视中常用的亮度方程，由此可见，在灰度y 、红色r 、绿色g 、 蓝色b 这四个变吊里，只需要任意三个就可以相互转换了。因此传送灰度信号 的同时，再传送两个基色信号即可。但是考虑到每个基色信号中都包含有亮度成 分，直接传送基色信号会造成基色与亮度间的相互干扰，通常选择传送4 、= 含亮度 成分的颜色信号，常用的是基色与亮度相减得到的色差信号( r y ) 、( g - y ) 、( b - y ) ， 从中选择两个代表色度信息即可。通常选用的是( r 、( b ，这是由于对大多 数色彩来说，( r - y ) 、( b y ) 的幅度要更大一些。 亮度方程通常近似的写为如下形式： 近似亮度方程： y = o 3 尺+ o 5 9 g + o 1 l 口 公式2 2 综上所述，彩色电视系统中使用的色度信号方程组如下所示； 红色差信号： 一r = 0 7 0 u r 一0 5 9 一0 1 l u 口 公式2 3 蓝色差信号：r = - o - 3 0 一0 5 9 + o 8 9 u b 公式2 4 根据人眼对亮度的分辨力高于对色彩的分辨力这一特点，通常只使用一个较 窄的频带传送色度信号，传送的基色信息仅包含较低的频率成分，图像的高频成 分( 图像的细节) 则由亮度信号补充，以此达到压缩频带的目的1 6 l 。 l l 华东师范大学硕士学位论文电视信号概述 此外，选择传送色差信号的另一原因在于，在传输系统是线性的前提下，可 以证明，当代表色度信息的色差信号受到了干扰或产生失真时，不会影响接收端 重现图像的亮度，这称为恒定亮度原理【1 5 】p 5 4 。 对复合视频信号来说，色度和亮度信号必须叠加后通过同一信道传输，但由 于二者在频域和时域上重叠，直接叠加必然造成相互串扰。囚此必须使用一定的 手段，保证在接收机中能够将色度信号与亮度信号分开。通常的办法是利用频谱 间置原理，对两个色差信号进行调制使色度信号的频谱与灰度信号的频谱错开 后，再与灰度信号相叠加，不同的电视制式采用的调制方式会有所不同。 频谱间置 由于电视信号是以一定的行频扫描图像而成，使得图像信号频谱呈现为主频 线间有很大空隙的梳齿状的离散谱，且主频线间的间隔宽度为扫描行频。利用电 视信号的这一特性，将色度信号安插在这些梳齿的空隙之间( 即将色度信号的频 谱移动到半行频附近位置上) ，使得色度信号既f 必占用额外的频带，又避免了 与灰度信号间的干扰，这就是频谱间置原理【1 6 】。 图2 3 ( a ) 所示是彩条图片某一行对应的n t s c 制灰度信号；图2 3 ( b ) 所示则 是相应的n t s c 制色度信号，是由已调制的红色差信号与已调制的蓝色差信号叠 加而成，其中的色载波同步信号为接收端提供色度解调器所需的基准副载波频率 和相位信息，以便接收端能够同步解调色度信号。 图2 - 3 ( a ) 彩条图像的灰度信号( 局部) 图2 3 ( b ) 彩条图像的色度信号( 局部) 华东师范大学硕+ 学位论文电视信号概述 2 1 5 复合视频信号 同步信号、消隐信号、灰度信号与色度信号通过一定的标准和方式结合在一 起，就形成了彩色复合视频信号。下图2 4 所示为彩条测试图像的n t s c 制复合 视频信号局部图，截取的是场同步附近的信号。 。 一 - ， 111 1 从 办n 。，。， il 4y l r 呷哑叫 弧 l l删u | il 像信号，由图可见，c v b s 信号是由灰度信号与色度信号叠加而成： l “ i j；0：掣； l； 卜悼，严一 华东师范大学硕十学位论文电视信号概述 2 2 电视信号发生原理 国际无线电咨询委员会( c c i r ) 已经认可的黑白电视制式共有1 3 种，代号 分别为a 、b 、c 、d 、e 、g 、h 、i 、k 、k l 、l 、m 、n 。这1 3 种制式在场频、 行频、频带宽度、伴音与图像载波频距以及各同步