数字电路视频教程

由于工作的需要，我在数字视频处理方面做了几年的开发，我所说的开发是指应用层的开发，而不是底层的研究。先后开发出了几个产品，比如数字接口摄像头、图像采集卡、TV-VGA视频转换器、造纸行业用的在线斑点检测仪、数字伪彩色处理仪等，在开发中也了解了一些关于CMOS面阵传感器、CCD面阵传感器、CCD线阵传感器、高速摄像、高分辨率摄像、视频编解码、图像压缩等方面的知识，目前我还在继续做类似的开发。前面说的产品都有一定的销量，所以经常会收到用户打来的电话，大多数是咨询一些很基本的数字视频知识。数字视频无疑是复杂的，牵扯到很多方面，所以我有了写这篇文章的想法，我希望用尽量通俗的方式来说明一些基本的问题，以期能对读者的开发工作有一些帮助（说明一下：为了尽量地把问题说得简单一点，叙述中我作了一些简化，比如把U和Cb都说成U、V和Cr都说成V等。另外还需要说明的是，下面我所说的模拟视频的各个参数都是针对我国的电视标准——PAL制式而言的，而其它的电视制式则略有差别。读者在做进一步研究时请注意）。因为我的水平十分有限， 错漏难以避免，有兴趣的读者可以写信和我一起来探讨。
视频简单地说就是活动图像。电影也是活动图像，电影把大量静止图像记录在胶片上，一张一张地连续显示出来，就成了我们看到的电影。对于电视视频，每秒钟包含几十帧静止图像，每一帧静止图像由几百个行组成，每一行又由几百个像素点组成。1秒钟包含的图像帧数为帧频，1秒钟包含的总行数为行频，1秒钟包含的总像素数实际上就是相当于视频带宽。

首先来说说模拟视频。
遥想起来，在当年有限的条件下，用电子管做出电视机的前辈们实在是令人佩服的，但是，用现在的眼光来看，当年的电视技术又实在是很简陋的。我国的黑白视频信号帧频为25 Hz，就是说每秒显示25幅图像，之所以规定为25 Hz，而不是其它的某个值，主要是因为两个原因。一个与人的视觉生理特点有关，当图像的刷新速度达到5帧/秒的时候，人开始感觉图像是活动的，而达到24帧/秒的时候，人感觉图像是完全连续和流畅的（电影所使用的帧频就是24 Hz），所以视频信号帧频应大于等于24 Hz。理论上来说帧频越高越好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，成本也越高（现在有的电脑彩显帧频已达到200Hz），在当时的条件下，只能选择一个大于24的尽量小的值。另一个原因是因为我国的电网频率是50Hz，当采用25 Hz帧频时，隔行扫描时的场频为50 Hz，正好与电网同频，这样，电源对图像的干扰是固定的，人眼不容易感觉出来，或者换个角度说：电源就可以不必做得那么精密（那个时候开关电源还很少使用，整流电源缺乏稳压措施，纹波很大）。所以选择了25 Hz帧频。说到这里，又要说说“场频”。电视在显示图像的时候，把一帧分成了两场来显示，一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场，另一个场由帧中的偶数行组成，叫做偶场。之所以要这样做，主要是因为在CRT显象管上一秒钟显示25帧图像时，人眼感觉到连续性还是不太好，而且还有明显的闪烁，一帧分成两场后，场频为50 Hz，图像更加连续一些。当然还有一些别的原因，与电路设计方面有关。
我国的黑白视频信号规定每帧图像共625行，每场为312.5行，行频15625 Hz，视频带宽6MHz。在每场的312.5行中，有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的，按照CCIR656标准规定的行编号方法，奇场的行号为第1至312.5行，偶场的行号为第312.5至625行，其中，奇场的第23.5至310行包含有效的视频信号，共287.5行，偶场的第336至622.5行包含有效的视频信号，共287.5行。所以一帧中有效的总行数为576行，由最上面的半行加上中间的574行加上最下面的半行组成。（说到这里又要顺便说个问题，有经验的读者在PC机上用视频捕捉卡捕捉图像的时候，如果分辨率设定为720点*576行，会发现最上面的行左边半边是黑色的，或者最下面的行右边半边是黑色的，就是因为一场中包含有半行的无效行的原因。）

上面说的是黑白视频信号，那么彩色视频信号又是怎么回事呢？当科学家们开始研究彩色电视的时候，黑白电视已经大量使用了，所以最好彩色电视信号能够与黑白电视信号保持兼容，以便彩色电视信号在黑白电视机上能播放出黑白的图像。这个问题是很困难的，因为色度信号也要占用较大的带宽，而在电视射频频带上，一个频道挨着一个频道，亮度信号（实际上还有调频的伴音信号）已经把频带给塞满了，幸运 的是，后来终于运用压缩亮度信号带宽、大面积着色等技术解决了这个问题。从频域的角度来看，色度信号（UV色差信号）是插在亮度信号的频谱的间隙之中的，具体的位置是插在4.43MHz的地方，带宽1.3MHz。在接收机中，简单地说，把收到的信号中的4.43MHz处的带宽1.3MHz的信号取出来就成了色度信号，而把收到的信号中的4.43MHz处的这个信号滤掉剩下的就是亮度信号。很多硬件工程师可能不容易理解这是什么意思，不过没关系。下面我们从时域的角度来看看它们的一行的波形，如图所示，黑白视频的亮度信号采用了调幅制，一行的周期是64μs，其中显示在屏幕上的信号占52μs，其余部分为行消隐、行同步头。对于彩色信号，还在行同步头上叠加了一小段4.43MHz的副载波信号，用作接收机中的4.43MHz信号的频率和相位基准。
上面说的是彩色视频信号怎么加到原来的黑白视频信号中。那么彩色图像是怎么还原和显示出来的呢？我们知道，黑白图像的像素只能用亮度（灰度）来描述。而彩色图像的像素的描述要复杂一些，有很多不同的方法，比如在印刷行业中用的是CMYK（青、品红、黄、黑）四色合成的方法，而在计算机或电视机的CRT显象管中都是用的RGB（红、绿、蓝）三基色合成的方法，我也不明白为什么要选这三种颜色，而没选别的颜色，我猜想可能是因为人眼包含RGB三种色感细胞，所以用这三种基色能合成比较多的人眼能识别的彩色出来，或者因为这三种基色的荧光粉比较容易制造。通过RGB三基色来合成某种彩色，或者某种彩色怎样分解为三基色，这个是大家都熟悉的。用RGB三基色来表示彩色的确很直观，但是如果把这种方法用作图像传输则绝不是一个好的方法。第一个缺点是与黑白图像不兼容，把RGB三基色转换为灰度的方法是：灰度=R*0.3+G*0.59+B*0.11,这个转换过程显然是比较复杂的。对于电视机而言，就意味着必须解码出RGB信号才有可能得到黑白图像，而黑白电视机没有解码功能，所以不能实现兼容。第二个缺点是占用太多带宽，用RGB三基色表示图像，每个分量的带宽是均等的，都约等于亮度信号的带宽，所以对于每个分量，都要用较大的带宽来描述。第三个缺点是抗干扰能力差。由于G分量占有亮度值的59%，所以当G受到干扰的时候，像素的亮度值会受到很大的影响，而人眼对亮度值的变化是十分敏感的，所以图像主观质量会明显下降。基于这些原因，在视频信号传输中采用的是YUV合成的方法。Y代表亮度信息，U代表蓝色色差（就是蓝色信号与亮度信号之间的差值），V代表红色色差。我们来看看使用这种表示方法的优点。第一个优点是与黑白图像兼容。假定一个像素是用YUV表示的，我们只要忽略UV分量，取出Y分量，就可以得到像素的亮度值，从而把彩色图像转换为黑白图像。这样很容易实现彩色电视信号与黑白电视信号的兼容。第二个优点是节省带宽。说这个问题的时候要先说说大面积着色原理。实验发现，人眼对亮度信息是敏感的，主要通过亮度差别来分辨物体形状的细节，而对彩色信息是不敏感的，人眼区分不出物体颜色上的细小的变化，或者说人眼不容易觉察出来图像的色彩的细节部分的变化。因此，可以对亮度信号用较高的采样频率采样，而对色度信号用较低的采样频率采样（或者用较低的量化深度），比如几个相邻的像素的亮度值不同，但是却可以使用一个相同的色度值。这就是大面积着色原理。基于这个原理，在电视信号传输中，U或V信号的带宽远小于V信号的带宽，这样就节约了带宽。换个方式来说，比如在计算机中，用RGB方式描述一个像素需要R、G、B共3个字节。而用YUV方式描述，则对于每2个像素，Y用2个字节，U取相同的值，用一个字节，V取相同的值，用一个字节，平均每个像素2个字节。或者每个像素Y用一个字节，U用半个字节，V用半个字节，共2个字节。第三个优点是抗干扰能力强。由于亮度信号是单独表示的，所以如果色差信号受到干扰，不会影响到亮度，主观感觉噪声不会明显增加。
在电视机中，彩色视频信号首先分解为亮度信号Y和色度信号，色度信号再分解为U色差信号和V色差信号，最后由YUV三个分量经过矩阵运算变换为RGB信号，以便在显像管上显示。那么YUV具体是怎样变换为RGB呢？这个问题又叫做“彩色空间变换”，我将在本文的后面详细地讨论这个问题。
通过前面的讨论，我们已经知道：黑白视频信号带宽6 MHz，由帧、场、行、像素等组成，像素用亮度值Y来描述。彩色视频信号在黑白视频信号中插入了一个带宽1.3 MHz的色度信号，由这个信号来得到UV色差信号，最后把YUV变换为RGB来描述像素。
现在我们来分析一下视频信号的缺点。1、帧频低。视频信号的帧频只有25 Hz，必然导致图像闪烁。2、分辨率低。在一帧中有效的行只有576行。由于采用了隔行扫描，一帧图像要由连续的两场来拼合而成，而实际上很难保证两场中的行准确地错开（对准间隙），这进一步导致垂直方向的分辨能力损失。3、亮色串扰。亮度信号和色度信号混合在一起，解码的时候不能很好地分开，导致亮度信号和色度信号互相干扰。4、缺乏改进余地。除非重新制定新的标准，否则前面提到的三个问题在现有基础上都很难改进。视频信号格式有这么多缺点，是因为受当年制定这个标准时的技术条件制约造成的，而近年来通过在电视中加入一些数字处理的手段，比如倍频扫描（100 Hz场频）、使用数字梳状滤波器等方法，电视的图像质量也得到一些提高。而现在正在研究的数字电视，是重新制定的全新的标准，用以获得胶片质量的图像，可能会彻底淘汰现在的视频标准和电视设备，当然这是将来的事情，也不是我讨论的主题。
我想讨论的是“数字视频”，而前面说的都是模拟视频，这是因为我所说的数字视频是现有的模拟视频的数字表示，先搞清楚了模拟视频，下面的讨论就很简单了。