（光学工程专业论文）立体显示技术研究.pdf

堕塞堡! ：! i 堕! ：堡兰 a b s t r a c t w h i l ew a t c h i n go b j e c t s ，t w op i c t u r e sg a i n e db yb o t he y e sa tt h es a m e t i m eh a v es o m ed i f f e r e n c e s o b s e r v e r sg e tt h ei n f o r m a t i o no fd i s t a n c ea n d d e p t ho f t h eo b j e c t st h r o u g ht h ed i f f e r e n c e so ft h et w op i c t u r e s t h i si st h e p r i n c i p l eo f t h es e n s eo fs e e i n g a c c o r d i n gt ot h i st h e o r y ，p a n e lp i c t u r e sc a nb em a d e t os h o wt h er e a l e f f e c to fn a t u r a ls u b s t a n c e s t h a t i ss o c a l l e d s t e r e o s c o p i cd i s p l a y t e c h n o l o g y i t se x t e n s i v e l yu s e di nt h ef i e l do fs c i e n c es t u d y ，a m u s e m e n t ， e t c a st h ev i s u a l d i s p l a ys y s t e m o fv i r t u a lr e a l i t y ( v r ) ，s t e r e o s c o p i c d i s p l a yt e c h n o l o g yp l a y sa ne s p e c i a l l yi m p o r t a n t r o l ei nt h i sf i e l d i nt h em e t h o do fg l a s ss w i t c h e ds t e r e o s c o p i cd i s p l a y ，o b s e r v e r sg e t d i f f e r e n t p i c t u r e s i nd i f f e r e n t e y e st h r o u g hh i g h s p e e d s w i t c h e d g l a s s s h u t t e r ，a n dt h e ng e tt h ee f f e c to fs t e r e o s c o p i cd i s p l a y a c c o r d i n gt o t h i s t h e o r y ，w ed e s i g n e da ne q u i p m e n t o f s t e r e o s c o p i cd i s p l a y f o rv i d e o p i c t u r e s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fap r a c t i c a ls t e r e o s c o p i c d i s p l a ys y s t e m a n de m p h a t i c a l l yd i s c u s s e d t h et h e o r y ，d e s i g np r o c e e da n d t h ec i r c u i t so ft h e s t e r e o s c o p i cd i s p l a ys y s t e m b a s e do nl i q u i d c r y s t a l s t e r e o s c o p i cs h u t t e r ( l c s s ) ，w i t h o u t t h ee f f e c to f f l a s h i n g k e y w o r d s ：s t e r e o s c o p i cd i s p l a y ，v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) ， c r i t i c a lf l a s h i n gf r e q u e n c y ， l i q u i dc r y s t a ls t e r e o s c o p i cs h u t t e r ( l c s s ) 2 南京理工大学硕士论文 绪论 视觉信息是人类信息的主要来源，视觉信息具有直观、翔实、真实、 可靠的特点，因此信息显示的研究工作正受到越来越多的重视。众所周知， 人的视觉是立体视觉，在观看物体时，观察者既能感觉到物体之间的距离， 也能感觉到物体与观察者之间的距离。这就是所谓的深度感，是正常人眼 的生理特征。而通常的信息显示如电视、电影、计算机监视器、图片等所 能提供的仅为平面视觉，使人们在研究和观赏时缺少了应有的深度感信 息。人类对立体视觉的追求导致了立体显示技术的发展，在最前沿的科研 领域虚拟现实技术里，立体显示技术也起着举足轻重的作用。 在夜视技术中，目前绝大部分的显示设备所能提供的也只是平面视觉。 由于夜视图象无论是分辨率、信嗓比，还是图象色彩等方面都远逊于正常 的广播电视图象。因此其所能提供的有效信息也远低于正常电视图象。尽 管目前人们仍致力于夜视图象质量的改善，如夜视设备的改进、视频图象 的处理，但我觉得寻找其他途径，在现有夜视设备的基础上，获得更多有 用信息也很必要。本文所论述的立体显示技术研究，就是对本人这一阶段 研究工作的总结。 提到立体显示，人们自然会联想到计算机三维动画显示，甚至很多人 会被这两个概念混淆。其实这两个概念是有本质的区别的。 首先，这两个概念的内涵是不同的。三维动画画面是在三维造型的基 础上，对造型的每个细小的表面进行受光计算，然后对它们着上不同的颜 色。从而使造型显示出具有体积感的三维效果。它的终极效果是人们日常 生活中所拍的照片、以及电影、电视等大众娱乐媒体。其画面的表象始终 是平面图象，即在三维动画显示中观察者仍无法体验到真实的距离感和深 度感。而立体显示则是借鉴人类视觉原理，使平面图象能产生真实的立体 效果。在这种观察方式中，观察者能真实地体会到距离感和深度感，就象 人们平常观察一个目标物一样。 其次，三维动画画面可在普通的计算机监视器、或电视、电影等播放 设备上播放。观察者裸眼就可以观察到三维动画画面的效果。而立体显示 南京理工大学硕士论文 则必须借助于特殊的装置，使观察者的左右眼同时得到有差别的图象，才 能得到立体显示效果。 然而，立体显示和计算机三维动画显示又有紧密的联系。计算机的三 维动画画面可作为立体显示的图象来源。目前已有一些三维动画制作软件 能用来生成立体显示所需要的体视图象对，如a u t o d e s k 公司的3 d s t u d i om a x 、m a y a 等。 立体显示技术有着广泛的用途。可以说如有必要，所有的平面信息显 示都可以用立体显示来代替。立体电影已投入使用；立体电视也已在研制 之中；而立体显示技术最大的应用领域当推虚拟现实( v r ) 技术。立体 显示是虚拟现实技术的视觉显示系统，是虚拟现实系统交互性和临场感的 一个重要组成部分。缺少立体显示环节的虚拟现实系统是无法想象的。 虚拟现实技术已广泛应用于：建筑c a d 、城市规划、建筑总体设计 仿真；军用和民用图形仿真；智能放大器和决策支持；军用模拟训练与民 用培训；科学研究和科学计算可视化；医学：电力工业；娱乐业等等。如 德国统一后，重新规划和建设首都柏林的城市规划模型是利用v r 系统成 功建立的；美国波音公司已利用v r 技术设计大型飞机：在海湾战争中， 美国就成功利用v r 技术参与指挥决策，战斗部培训等。 虚拟现实技术应用后，较常规的工作方式有不可比拟的优越性。虚拟 现实技术的一个重要特点是临场感。这种感觉能使设计人员更好地模拟产 品的实际应用环境，优化产品设计，通过动态仿真否定设计中不合理的成 分，使设计更趋完善；在模拟培训中，临场感可使操作者有身临其境的感 觉，从而提高训练质量，缩短培训周期。而这种临场感大部分来自于虚拟 现实系统的立体视觉显示，可见立体显示技术的优越性是常规显示技术无 法比拟的。随作计算机和互联网技术的飞速发展，虚拟现实技术突飞猛进。 伴随着虚拟现实技术，立体显示技术也取得了长足的进步。 立体显示技术起源于1 9 世纪。1 8 4 8 年英国物理学家c h a r l e sw h e a t s t o n e 发现只要观看两张同样场景，但不同角度的影象，就会让观察者产生深度 的感觉。不久以后，以实体镜来观看成对的影象便成为极受欢迎的消遣， 直到1 9 世纪末期这种兴趣才终止。前人在立体显示技术方面做过大量的 南京理工大学硕士论文 工作。而由于其广阔的前景和巨大的商业利润，目前更有许多著名的大学、 军事科研机构、商业团体等致力于这项工作。如美国北卡罗来纳大学；美 国密歇根大学虚拟现实实验室；美国华盛顿大学人机交互实验室；美国 n a s aa m e s 实验室；瑞士苏黎世联邦理工大学计算机图形实验室等等。 在立体显示的研究方面，美国走在了前面。早在1 9 6 1 年，美国p h i l o o 公司就首创了头盔式立体显示器( h m d ) ，使得立体显示的效果得到了大 大的改善。欧洲和日本紧随其后，在立体显示方面也做了大量的工作。我 国在这方面的研究，起步较晚，但已引起政府有关部门的重视。目前国内 一些院校及研究所己开始开展这方面的研究工作。 立体显示技术大致可分为三种方法：头盔式显示器、与传统显示器连 用的三维立体眼镜、以及红蓝眼镜法。头盔式显示器显示效果最好，但价 格昂贵，一般在1 万美圆以上，通常只用于军事及科研等方面。而且国内 的元器件供应方面也制约了对头盔式显示器的研究。红蓝眼镜法的观察设 备与观察方法都很简单，此处亦不多作研究。而与显示器连用的三维立体 眼镜法眼镜开关法，由于其经济实用，且为真彩色成像，图象质量尚 可而可能逐渐在民用领域得到广泛应用。美国、日本、韩国及西欧一些国 家都先后推出了类似的简易观察设备。国内的中国科技开发院威海分院在 “8 6 3 ”项目的支持下开展了一些研究工作，制作出了性能稳定、价格便 宜的开关眼镜。 所谓眼镜开关法，是一种将高速动作的快门装置装入眼镜框架内，利 用两眼的视觉差异获得图像的立体显示效果。本课题采用的是液晶立体开 关眼镜( l c s s ) 。生产液晶开关眼镜的厂商较多，但高性能的液晶开关眼 镜却不容易得到。 在本课题开始之前，得知国内几家有线电视台已开播立体电视节目， 而且也是用液晶开关眼镜作为立体成像部件。经了解发现，他们所使用的 液晶开关眼镜普遍存在以下问题： 1 液晶开关眼镜切换频率太低。尽管能在电视上得到立体图像，但由 于是在现有电视制式基础上，将原来的电视信号变成左右眼图象隔帧显示 的电视信号。而p a l 制式电视信号为帧频2 5 h z 、场频5 0 h z 的奇偶场隔 南京理【大学硕士论文 行扫描电视信号。因此左右眼所获得的图象的帧频分别只有1 2 5 h z ，这 远低于人眼视觉的临界闪烁频率5 0 h z 。因而导致立体显示图象剧烈闪烁， 尤其是在观察环境较亮情况下的背景闪烁，更让人无法忍受。 2 由于液晶开关眼镜器件材料的缘故，液晶开关眼镜的对比度较低， 严重降低了立体图像的质量。 然而，就目前条件而言，在液晶开关眼镜材料方面的研究工作还无法 开展。故本课题的重点就放在如何通过提高显示帧频，以消除立体显示中 的闪烁效应。尽管这也受制于液晶开关眼镜材料，但在其后的工作中，顺 利地找到了响应速度较快的液晶开关眼镜，其快门速度可达到1 4 0 h z 。 这款液晶开关眼镜是以个人计算机监视器接口为基础的，只能用于观 察计算机上的d 3 d 三维动画游戏，而目前计算机播放电视或影碟的速度 基本上是每秒3 0 帧，无法满足本课题的需要。然而监视器的优良显示性 能，以及高达1 5 0 h z 以上的显示帧频，决定了监视器将被作为本课题立 体显示视频图象的来源。因此本课题的主要任务，就是设计适合本课题需 要的视频信号立体显示的监视器接口。 南京理工大学硕士论文 1 立体显示技术原理 立体显示技术( 亦称为体视技术) 相对传统显示技术而言，主要是 借鉴人类的视觉原理，使平面图象能产生出真正的立体效果。人在观察物 体时，总有三维的感觉，既能感觉到物体之间的距离，又能感觉到观察者 与物体之间的距离。这是由于在同一时刻，两个不同的图象通过不同的角 度进入人的左右眼，人脑通过分析并合成这两幅图象得到距离和深度的感 觉。人们常用的三角形测量方法就是以此为基础的，观察者离物体越近， 左右眼的视线之间的夹角就越大；当观察无限远处的物体时，两视线将平 行。 人的两眼之间的距离大约是6 7 厘米，当观察一个特定点时，左右 眼均在目标点处聚焦。两眼视线的夹角随目标点的远近而变化，人的眼睛 和大脑根据左右眼图象的差别判断距离，而不使用三角形测量的方式判定 距离。这两个图象的差别被称之为体视。当观察远处的立方体时，如果从 左边的位置观察，则左边看起来就较宽；如果从右的位置观察，则右边看 起来就较宽，这就是视差。对左右眼所看到的图象进行比较就会发现，这 两幅图象有相互重叠。这是位差引起的结果，物体上的任意一点投射到两 眼视网膜上所产生的图象中的对应点之间的水平距离即为位差。正是这一 距离才使双眼产生了体视的感觉，位差的概念见图1 1 。观察不同距离处 的目标所产生的位差是不一样的。人的大脑能根据两幅图象细微的差别得 到信息，从而使你有距离和深度的感觉。当两幅图象有合适的距离时，就 ： 图1 1 位差的概念 南京理工大学硕士论文 会有立体的感觉。这就是得到三维图象的理论。 这就是说，三维立体图象是左右眼看到的两幅图象在人脑中组合的结 果。因此，要产生真正的立体视觉效果，就需要采用合适的观察设备，使 左右眼分别看到不同的图象。在红蓝眼镜法中，通过颜色过滤的方法使我 们的左右眼分别看到不同的图象：在体视头盔显示器中，利用两个显示屏 分别对左右眼显示不同的图象；在眼镜开关法中，为了达到这一目的，就 将得到的两幅观察角度略有不同的图象，迅速轮流地把它们显示在监视器 上，然后使用液晶开关眼镜，使得左眼只能看到监视器上的左眼图象：右 眼只能看到监视器上的右眼图象。这样就能看到真实的立体图象。这意味 着，两幅不同观察角度的图象不同时在监视器上显示。通过控制液晶开关 眼镜，使得显示左眼图象时自动遮挡右眼系统，只有左眼能看到监视器： 同理，显示右眼图象时自动遮挡左眼系统，只有右眼能看到监视器。 对于这种分时系统，为了不产生烦人的闪烁效果，每幅图象每秒钟内 必须能由监视器显示6 0 次，这就要求监视器的刷新频率达到1 2 0 h z ，才 能满足每眼6 0 h z 的要求。 在液晶开关眼镜立体显示中，人的眼睛必须时刻盯着监视器，观察者 就要保持头部基本不动，这是该技术的主要障碍。而且观察时同时还能看 到监视器的边界，使得观察者意识到自己不是处于这个虚拟环境中。而头 盔显示器( h m d ) 却不存在这个问题。 生产和销售液晶开关眼镜的单位较多。美国的3 d t v 公司就可以提供 好几种类型的液晶开关眼镜。如s e g a 、t o s h i b a 、3 d t v 等液晶开关眼 镜。前面也提到，国内的中国科技开发院威海分院也开发了3 d t v 液晶 开关眼镜。 南京理工大学硕士论文 2 立体显示系统技术方案 根据对当前立体显示技术的了解，结合夜视技术的现状，我们确定了 液晶开关眼镜立体显示系统的技术方案。其原理如图2 1 所示。 由图可知，系统由以下几部分组成： ( 1 ) 视频信号源：为得到立体显示的效果，要求提供给系统的图象 对是有差别的体视图象对。系统中采用模拟人眼的双摄像头c c d l 、 c c d 2 ，产生系统立体显示所需要的有差别的体视图象对视频图象源 v i d e 0 1 、v i d e 0 2 。 ( 2 ) 视频信号数字化处理：由于系统中使用的双摄像头c c d l 、c c d 2 是非同步的，即所得到的两路视频信号v i d e o l 、v i d e 0 2 的行场同步信号 v s 、h s 之间没有固定的时序关系。因此采用简单的模拟信号处理方式， 无法在两路视频信号v i d e o l 、v i d e 0 2 之间进行切换。而且即使能进行切 换，简单的模拟信号处理方式也无法实现显示帧频的提升。因此系统只有 采用数字化的方法，将双路模拟视频信号v i d e o l 、v i d e 0 2 进行数字化处 理，得到系统所需要的双路数字视频信号d a t a l 、d a t a 2 及各自的行同步 信号h s l ，h s 2 ；场同步信号v s l 、v s 2 ；时钟c k l 、c k 2 等控制信号。 取h s l 、v s l 、c k l 作为系统工作的基准控制信号，对双路数字视频信号 d a t a l 、d a t a 2 进行实时存储。以空间换时间，采用双缓冲区的方法，即 一个缓冲区写，另一个缓冲区读，两个缓冲区同时工作。在基准同步信号 v s l 到来后，两缓冲区切换工作方式。在一个写周期内双路数字视频信 号d a t a l 、d a t a 2 交替输出，实现两路视频信号v i d e o l 、v i d e 0 2 之间的切 换及显示帧频的提升。 同时，由于最终图象是在计算机监视器上显示，而监视器接口中的视 频信号是一组r 、g 、b 三基色视频信号。因此视频信号数字化部分还必 须进行彩色视频信号色解码，将复合数字视频信号转换成y u v 4 2 2 标准 的数字视频信号，再通过色空间转换，将y u v 4 2 2 标准的数字视频信号 转换成r g b 8 8 8 标准，以得到r 、g 、b 三基色数字视频信号。 ( 3 ) 时钟频率提升：为保证立体显示时不产生令人烦恼的闪烁效应， 南京理1 大学硕七论文 确定每幅图象每秒钟内能由监视器显示5 0 次，这样监视器的刷新频率达 到1 0 0 h z 。而大家都知道，p a l 制式电视信号为帧频2 5 h z 、场频5 0 h z 的奇偶场隔行扫描电视信号，因此左右眼所获得的图象的帧频分别只有 1 2 5 h z 。系统通过时钟频率提升，将基准时钟信号c k l ( 1 3 5 m h z ) 进 行四倍频处理，得到系统工作所需要的时钟信号c k o ( 5 4 m h z ) 。这样交 替输出的混合数字视频信号的帧频可达到1 0 0 h z ，左右眼所获得的图象 的帧频分别为5 0 h z ，基本上保证立体显示时不产生闪烁效应。 ( 4 ) 双路数字视频信号的混合：在液晶开关眼镜立体显示系统中， 两幅观察角度略有不同的图象是不同时在同一监视器上显示的。因此，最 终提供给监视器的只能是一组r 、g 、b 三基色视频信号。在这一组r 、 g 、b 三基色视频信号中，来自于c c d l 、c c d 2 的双路视频信号按帧分 时交替出现。系统中采用采用双缓冲区技术，在一个写周期内双路数字视 频信号d a t a l 、d a t a 2 交替输出各两次。这样既实现了双路数字视频信号 的混合，又将显示帧频的提升到1 0 0 h z 。 在实现双路数字视频信号的混合和显示帧频的提升的同时，利用系统 的逻辑资源产生监视器工作所需要的行场同步信号h s 、v s 。这两个同步 信号符合r 、g 、b 三基色视频信号的时序。 ( 5 ) 视频d a c 转换：由于监视器的优良显示性能，以及高达1 5 0 h z 以上的显示帧频，方案中决定采用监视器作为液晶开关眼镜立体显示系统 视频体视图象对的来源。目前大多数计算机监视器的接口中，r 、g 、b 三基色信号为模拟视频信号。故须对上述r 、g 、b 三基色混合数字视频 信号进行视频d a c 转换，以得到监视器工作所需要的r 、g 、b 三基色 模拟视频信号。 ( 6 ) 监视器接口：随着计算机技术的快速发展，计算机监视器的性 能大为改善。为使监视器可工作在多种不同的工作模式下，监视器的接口 也实现了智能化。在监视器的接口中，除了上述r 、g 、b 三基色模拟视 频信号，行场同步信号h s 、v s 外，还有一对称为1 2 c 总线的通讯接口s d a 、 s c l 信号。该接口负责设置监视器的工作状态，此外该接口还负责液晶 开关眼镜与监视器显示的同步。 南京理工大学硕士论文 ( 7 ) 监视器和液晶开关眼镜：根据方案要求，监视器工作在6 4 0 x 4 8 0 模式下，显示帧频为1 0 0 h z ，液晶开关眼镜快门速度为1 0 0 h z 。故监视 器采用的是韩国三星1 7 寸监视器s y n e m a s t e r7 0 0 s + ，该监视器帧频可达 1 5 0 h z ，显示分辨率可达1 2 8 0 1 0 2 4 ；液晶开关眼镜采用的是德国e l s a3 d r e v e l a t o r ，其快门速度高达1 4 0 h z 。 综上所述，液晶开关眼镜立体显示系统的工作原理是：模拟人眼的双 c c d 摄像头c c d l 、c c d 2 的输出视频信号v i d e o l 、v i d e 0 2 ，分别经过数 字化处理，得到各自的数字视频信号d a t a l 、d a t a 2 ，及场同步信号v s l 、 v s 2 ，行同步信号h s l 、h s 2 ，时钟c k l 、c k 2 等控制信号。取其中的v s l 、 h s l 、c k l 作为系统的基准信号，对各自的数字视频信号进行存储、倍频 处理，然后交替输出，得到帧频为1 0 0 h z 的混合数字视频信号。其中 c c d l 、c c d 2 图象信号的重现频率各为5 0 h z ，分别对应于左右眼。混合 数字视频信号经视频d a c 转换，得到监视器接口所需要的r 、g 、b 三 基色视频信号。 数字逻辑电路产生数字视频信号存储、处理、输出所需要的逻辑，以 及监视器接口控制信号和液晶开关眼镜同步控制信号。以保证监视器上显 示的c c d l 和c c d 2 的图象和液晶开关眼镜的切换同步进行，实现视频 图象的立体显示。 该方案是一个全彩色系统方案，系统内包含三个单色数字视频信号处 理通道，可处理双路彩色视频信号输入时的立体显示。同时很好地兼容了 双路单色视频信号输入的情况。 本方案的难点是： 1 双路非同步视频信号的混合，帧频的提升，及1 0 0 h z 混合视频信 号的产生。 2 1 0 0 h z 视频信号的显示，及立体显示与液晶开关眼镜的同步。 9 南京理工大学硕士论文 i 插板1 # !槽口底版3 #插板l # 红数据通道( r ) 视频数据存储区 插板2 # 绿数据通道( g ) 视频敦据存储区 插板2 # 图2 1 双路视频输入立体显示系统原理框图 蓝数据通道( b ) 视频数据存储区 插板2 # 0 南京理工大学硕士论文 3 立体显示系统 3 1 视频信号数字化处理 由液晶开关眼镜立体显示系统的方案可知，视频信号数字化处理部分 主要要实现以下4 个方面的任务： ( 1 ) 对模拟视频信号进行数字化采样：在p a l 制式中，模拟视频信 号的带宽是6 m h z ，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于1 2 m h z 。 为兼顾其他制式的模拟视频信号，确定采样频率为1 3 5 m h z 。这也是所 选器件对采样频率的要求。 ( 2 ) 视频信号的色解码：在彩色电视系统中，为实现兼容性及节省 带宽，采用频谱交错原理，将色差信号的频谱插入亮度信号频谱中，这一 任务是由编码器实现的。视频信号的色解码就是要将视频信号中的亮度信 号和色差信号分离开来，是上述编码的反过程。对亮度信号和色差信号进 行数字化，就得到了y u v 4 2 2 标准的数字视频信号 ( 3 ) 颜色空间转换：由于色解码所得的是y u v 4 2 2 标准的数字视频 信号，而监视器接口中的视频信号是一组r 、g 、b 三基色视频信号。故 须通过色空间转换，将y u v 4 2 2 标准的数字视频信号转换成r g b s 9 8 标 准，以得到r 、g 、b 三基色数字视频信号。 ( 4 ) 产生v s 、h s 、c k 等控制信号：在模拟视频信号中，行场同步 信号v s 、h s 是复合在图象信号中的，必须进行同步分离将v s 、h s 从 视频信号中分离出来。而采样时钟信号，则必须利用锁相环( p l l ) 电路， 对行同步信号h s 进行同步锁相产生。 视频信号数字化部分，可用各种功能独立的中小规模集成电路来实 现。如模拟视频信号进行数字化采样可用视频a d 转换器件：视频信号 的色解码和颜色空间转换也有专门的电路；v s 、h s 、c k 等控制信号可 由同步分离和锁相环( p l l ) 电路产生。但根据以前的工作经验，采用中 小规模集成电路来实现上述功能，是比较困难的。而且系统的性能很难保 证，电路的调试非常麻烦。 南京理工大学硕士论文 3 立体显示系统 3 1 视频信号数字化处理 由液晶开关眼镜立体显示系统的方案可知，视频信号数字化处理部分 主要要实现以下4 个方面的任务： ( 1 ) 对模拟视频信号进行数字化采样：在p a l 制式中，模拟视频信 号的带宽是6 m h z ，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于1 2 m h z 。 为兼顾其他制式的模拟视频信号，确定采样频率为1 3 5 m h z 。这也是所 选器件对采样频率的要求。 ( 2 ) 视频信号的色解码：在彩色电视系统中，为实现兼容性及节省 带宽，采用频谱交错原理，将色差信号的频谱插入亮度信号频谱中，这一 任务是由编码器实现的。视频信号的色解码就是要将视频信号中的亮度信 号和色差信号分离开来，是上述编码的反过程。对亮度信号和色差信号进 行数字化，就得到了y u v 4 2 2 标准的数字视频信号 ( 3 ) 颜色空间转换：由于色解码所得的是y u v 4 2 2 标准的数字视频 信号，而监视器接口中的视频信号是一组r 、g 、b 三基色视频信号。故 须通过色空间转换，将y u v 4 2 2 标准的数字视频信号转换成r g b s 9 8 标 准，以得到r 、g 、b 三基色数字视频信号。 ( 4 ) 产生v s 、h s 、c k 等控制信号：在模拟视频信号中，行场同步 信号v s 、h s 是复合在图象信号中的，必须进行同步分离将v s 、h s 从 视频信号中分离出来。而采样时钟信号，则必须利用锁相环( p l l ) 电路， 对行同步信号h s 进行同步锁相产生。 视频信号数字化部分，可用各种功能独立的中小规模集成电路来实 现。如模拟视频信号进行数字化采样可用视频a d 转换器件：视频信号 的色解码和颜色空间转换也有专门的电路；v s 、h s 、c k 等控制信号可 由同步分离和锁相环( p l l ) 电路产生。但根据以前的工作经验，采用中 小规模集成电路来实现上述功能，是比较困难的。而且系统的性能很难保 证，电路的调试非常麻烦。 南京理工大学硕士论文 本系统中，视频信号数字化处理采用p h i l i p s 公司的视频输入处理器 ( v i p ) s a a 7 1 1 1 。该芯片具有视频信号数字化、视频色解码和色空间转 换等功能。将输入的标准视频信号直接转换成c c i r 一6 0 l 标准的 y u v 4 2 2 、y u v 4 1 l 、c c i r - - 6 5 6 、r g b 8 8 8 等规格的数字视频信号。是一 种1 2 c 总线控制的视频处理芯片。s a a 7 1 1 l 视频输入处理器的管脚分布如 图3 1 1 所示。 图3 1 1视频输入处理器s a a 7 1 1 1 该芯片原理比较复杂，但使用却很简单。芯片能自动检测行同步信号， 内部数字锁相环电路能对行同步信号h s 进行同步锁相，以产生频率为 1 3 5 m h z 的时钟控制信号；能自动检测5 0 6 0 h z 的场同步信号，并进行 p a l 、n t s c 和s e c a m 制式的自动切换，并且无论是什么制式，都只须 一片晶振( 2 4 5 7 6 m h z ) ；具有对亮度和色度进行处理的能力，可编程实 现亮度和色度通道的自动增益控制：加电自动复位功能和芯片使能复位功 能：可输出y u v 一4 2 2 、r g b - - 8 8 8 等多种标准数字视频信号：对于p a l 南京理l 大学硕士论文 制式的标准视频信号，其采样规格为：5 2 5 行7 2 0 列。图3 1 2 较详细地 叙述了该芯片的功能。 图3 1 2 视频输入处理器原理框图 芯片的各种自适应功能是由1 2 c 总线实现的。对应于这些功能，芯片 中安排了很多的寄存器，这些寄存器可由1 2 c 总线接口进行灵活设置。同 时芯片能将自身的工作状态通过1 2 c 总线告知主控单元，以便主控单元更 合理地对芯片进行设置，使芯片运行在最佳状态。如电视制式自动识别、 模拟输入通道自动切换、可编程静态增益或选定通道自动增益控制等。 图3 1 3 为视频信号数字化处理原理图。图中7 4 h c t 5 7 4 芯片为高速8 位3 态数据触发器，用于将1 6 位数据总线扩展为2 4 位数据总线，实现 r g b 8 8 8 格式数据的并行输出。显然，s a a 7 1 1 1 芯片的使用，大大简化了 南京理工大学硕士论文 该部分的设计。从电路本身来讲，s a a 7 1 1 1 芯片只需极少量的外围器件。 如视频输入端的阻抗匹配电阻和偶合电容；晶振及附属的电感、电容；提 高芯片抗干扰性能的去耦电容等。 图3 1 3 1 视频输入处理器原理图( 1 ) 南京理t 大学硕士论文 + ( 3 4 ) 4 5 ( 3 5 ) 4 6刖 ( 3 6 ) 4 7 j u ( 3 7 ) 4 8 1 2lv p o ( 1 0 ：8 ) ，g ( 7 ：5 ) ( 3 8 ) 4 9 1 1i 1 0v p o 仃：5 ) g 4 ：2 ) ( 3 9 l5 0 习 3 4 2 ) 5 3 、( 4 3 ) 5 4u v 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位数据总线扩展为2 4 位数据总线。经7 4 h c t 5 7 4 锁存 后，r g b 8 8 8 ( 2 4 位) 数据总线( r 7 r o 、g 7 g o 、b 7 b o ) 上的数据速 率是1 3 5 m h z 。 。 b u s8 l g 眦l 4 1 1 ( 1 2 - b r r i 4 2 2 ( 1 6 - b m ( 1 jc c i l l - 6 5 6 ( e - b r n 忙l r a bf 1 6 - r r ) 稿) i q g b ( 2 4 - b i n ( 3 j v p 0 1 5 y y 1 7y 2 7y 3 7b 。y 1 7u 。y 0 7 v 。y ” r r 7p , 7 v p 0 t 4 y y 6y 舶y 3 6y o ey 1 bu y v y t b r 3r 6r 6 v p 0 1 3 y 0 5y 1 5y 鹳y 镐y 惦y 幅i j 0 6y q sv 惦y 5 r 21 ：1 5r 5 v p o t 2y 0 4y y 2 hy t 1 0 4y “v 0 4y 1 4 r 1f 1 4r 4 v p 0 1 1 y 1 3y 船y y o sy 1 3u 0 3y v 0 3y 3 r or 3r 3 v p 0 t o y y 惶y 2 2y 3 2y 0 2y 住u 舱kv y 1 2 g 5g 7g 7 v p y 0 1y l ly 2 1y 3 1v o ly l lu o ly 0 1v o ly 1 1 g 4g 6g 6 v p 0 8 y y 1 0y 舫y s oy ot j o oy o ov o oy t o g 3g 5g 5 v p o iu 0 7 u u u o lu v o r xxxg 2g 4r 2 v p 0 6岫 0 0 4 u u u o ev 咕 xxxxg 1g 3r 1 v p 0 5v 盯v o sv 0 3 v o lu v 0 6 xxxxg og 2r 0 v p 0 4 v o ev o z v o ou “v xxxx1 3 4b 7g 1 v p 0 3xxxx u v 幻 xxxx 1 3 3b 6 ( 3 0 v p 0 2xxxx 屺v 眩 xxxxb 2b 5b 2 v p 0 1xxxx u o lv o 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r e f 嬲黝 场獬 l 一t o h d ；c r e f 一t p e c r e f j 。 l - t o h o ；c r e f 1 口 j t + i o h d ；d a i + + i o h c ；o a t ) 以剿燃掰； 、 u 钐形删 彭纵 j y 口、 一t l 图3 1 4r g b 8 8 8 格式时钟数据时序图 c v b s y o u t p u t h r e f ( 5 0 h z ) r t s l ( p l i n ) ( 1 h s ( 5 0h z ) p r o g r a m m i n gr a n g e s t e ps i z e ：8 上c ) 0 5 0 x 2 ，l l c ， 曼 1 3 9x 1 ，l l c i i g o e l a yo v m 一 l _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ 匝峦互互互盈互s y n cc l i p p e d ii - - 7 2 0 x2 ，l l c , - x 2 2 f l l + l 一 7 x 2 ，l l c + 1 3 。玑l c l 阒 - li + 4 ，l l c +h 1 0 8 ，0 - 1 f 图3 1 5水平同步时序图 1 7 南京理工大学硕士论文 6 2 2 f6 2 3i6 2 4i6 2 5 1i2 i 3 j4i5 】6 i7 r 8 i2 2 i2 3 j i n p u tc v b s 旷_ 1 厂t 1 _ t nnnn 旷 丁 厂 r r 卜。_ r r r h r e f v r e f v r e f ik p 5 0 3x2 1 l c v s 盯1 r t s 0 ( ? ! 业! 广卅一 a ：第一场 i3 1 0 i 3 1 1 i3 1 2i3 1 3i3 1 4i3 1 5 i3 1 6i3 1 7i3 1 8i3 1 9i3 2 0f3 3 5i3 3 6 i3 3 7 i l o u tc v b s 1 r _ | r 广r t 厂_ lnn “n 旷1 厂t 1 1 h r ”1 r _ 1 h r 寸 h r e f v r e f v r e f v 8 r t s 0 ( o d d ) 0 ) 一一 # m o c k 2 b ：第二场 图3 1 6 垂直同步时序图 图3 1 6 详细描述了s a a 7 1 1 1 芯片在对视频信号中奇、偶场进行采样 时的时序差别。在奇数场中，场同步出现在第1 行至第7 行；在偶数场中， 场同步出现在第3 1 3 行至第3 1 9 行。这与p a l 制式的规定是一致的。由 奇数场和偶数场组成的一帧中，有效采样宽度为5 2 5 行，同步、消隐宽度 为奇、偶场各5 0 行。 南京理工大学硕士论文 3 2 单片机模拟1 2 c 总线 在系统中，视频信号数字化处理芯片s a a 7 1 1 1 和监视器接口谋都采 用了1 2 c 总线控制技术。1 2 c 总线是一种串行扩展总线，它的出现解决了 单片机应用系统设计的模块化、标准化问题。 1 2 c 总线有严格的规范，如接口的电气特性、信号时序、信号传输的 定义、总线状态设置、总线管理规则及总线状态处理等。1 2 c 总线的串行 数据传送与一般的u a r t 的数据传送相比，无论从接口电气特性、传送 状态管理以及程序编制特点都有很大不同。1 2 c 总线是二线制的传输，两 根信号线分别为s d a 、s c l ；1 2 c 总线采用状态码的管理办法；系统中所 有外围器件及模块采用器件地址及引脚地址的编址方法。 1 2 c 总线的时钟信号s c l 和数据信号s d a 都是双向传输线，总线备 用时s d a 、s c l 都必须保持高电平状态，只有关闭1 2 c 总线时才使s c