01_补充阅读材料1_视频原理

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1、视频原理21 世纪进入了信息化时代。随着信息技术的数字化、网络化、宽带化和综合化，使视频技术得到了长足的发展。在进入多媒体时代的今天，到处都可以见到各式各样的图像和视频产品，它们使我们的生活变得丰富多彩。图象与视频是两个既有联系又有区别的概念：静止的图片称为图象（Image），运动的图象称为视频（Video）。图象的输入要靠扫描仪、数字照相机或摄象机等；而视频的输入只能是摄象机、录象机、影碟机以及电视接收机等可以输出连续图象信号的设备。本文将针对视频图像这一领域作一个概括的介绍，希望对大家进一步了解视频技术方面的知识有所帮助。下面先对一些视频技术名词作一下简单解释。视频信号的分类和基本概念一、

2、模拟视频信号根据三基色原理，在视频领域利用 R（红）、G（绿）、B（蓝）三色不同比例的混合来表现丰富多采的现实世界。首先，通过摄像机的光敏器件像 CCD（电荷耦合器件），将光信号转换成 RGB 三路电信号；其次，在电视机或监视器内部也使用 RGB 信号分别控制三支电子枪轰击荧光屏以产生影象。这样，由于摄像机中原始信号和电视机、监视器中的最终信号都是 RGB 信号，因此直接使用 RGB 信号作为视频信号的传输和记录方式会获得极高的信号质量。但这样做会极大地加宽视频带宽从而增加设备成本，且这也与现行黑白电视不兼容，因此，在实际应用中不这样做，而是按亮度方程Y=0.39R+0.5G+0.11B（PA

3、L 制）RGB 信号转换成亮度信号 Y 和两个色差信号 U（B-Y）、V（R-Y），形成 YUV 分量信号。此种信号利用人眼对亮度细节分辨率高而对色度细节分辨率低的特点，对 U、V 信号带宽压缩。U、V 信号还可进一步合成一个色度信号 C，进而形成 Y/C 记录方式。由于记录时对 C 信号采取降频处理，因此也称彩色降频方式。Y 和 C 又可进一步形成复合视频（Composite），即彩色全电视信号，这种方式便于传输和电视信号的发射。将 RGB 信号转换成 YUV 信号、Y/C 信号直至 composite 信号的过程称为编码，逆过程则为解码。由此可看出，由于转换步骤的多少，视频输出质量由 YU

4、V 端口到 Y/C 端口到 Composite 端口依次降低。因此，在视频捕捉或输出时选择合适的输入、输出端口可提高视频质量。另外，还应提供同步信号以保证传送图象稳定再现。视频影像是由一系列被称为帧的单个静止画面组成。一般帧率在 24-30 帧/秒时，视频运动非常平滑，而低于 15 帧/秒时就会有停顿感。NTSC：国家电视标准委员会(National Television Standards Commitee)的缩写。是中北美洲及日本通用的电视制式，与欧洲的 PAL 制式和法国的 SECAM 只是相对。他的垂直分辨率有 525 线，帧速为 30(29.97)FPS。 PAL：逐行倒相(Phas

5、e Alteration Line)的缩写，是中国及欧洲大多数国家通用的电视制式。具有更高的垂直分辨率(625 线)，但是帧速相对慢于 NTSC(25FPS)。分量视频信号(Separate Video) ：将画面按三个颜色通道(RGB)分成红、绿和蓝(附加亮度信号)三个单独信号通道。产生的画面质量较高，一般在广播级视频设备中被采用。 复合视频信号(Composite Video) ：将彩色信号、亮度信号和同步信号混合在一个信号通道内，在家用视频设备中被大量采用。S-Video：是一种信号质量更高的视频接口，它取消了信号叠加的方法，可有效避免一些无谓的质量损失。它的功能是将 RGB 三原色和亮

6、度进行分离处理。YUV 色彩系统： YUV（亦称 YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于 PAL）。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与 RGB 视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的带宽（RGB 要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（1uminance 或 Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度(Chrominance Chroma)，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是通过 RGB 输入信号来创建的，方法是将 RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面-

7、色调与饱和度，分别用 Cr 和 Cb 来表示。其中，Cr 反映了 Cb 输入信号红色部分与 RGB 信号亮度值之间的差异。而 Cb 反映的是 RGB 输入信号蓝色部分与 RGB 信号亮度值之间的差异。二、数字视频信号 数字视频就是先用摄像机之类的视频捕捉设备，将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号，再记录到储存介质（如录像带）。如果用示波器来观看未投影的模拟电信号，看起来就像脑电波的扫描图像，由一些连续锯齿状的山峰和山谷组成。 为了存储视觉信息，模拟视频信号的山峰和山谷必须通过数字/模拟（D/A）转换器来转变为数字的“0”或“1”。这个转变过程就是我们所说的视频捕捉（或采集过程）。如果要在电视

8、机上观看数字视频，则需要一个从数字到模拟的转换器将二进制信息解码成模拟信号，才能进行播放。1、LVDS 低压差分信号传输 (LVDS) 是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术。 由于其可使系统供电电压低至 2V，因此它还能满足未来应用的需要。 此技术基于 ANSI/TIA/EIA-644 LVDS 接口标准。LVDS 技术拥有 330mV 的低压差分信号 (250mV MIN abd 450mV MAX) 和快速过渡时间。 这可以让产品达到自 100 Mbps 至超过 1 Gbps 的高数据速率。 此外，这种低压摆幅可以降低功耗消散，同时具备差分传输的优点。LVDS 技术用于简单的线路驱动

9、器和接收器物理层器件以及比较复杂的接口通信芯片组。 通道链路芯片组多路复用和解多路复用慢速 TTL 信号线路以提供窄式高速低功耗 LVDS 接口。 这些芯片组可以大幅节省系统的电缆和连接器成本，并且可以减少连接器所占面积所需的物理空间。LVDS 解决方案为设计人员解决高速 I/O 接口问题提供了新选择。 LVDS 为当今和未来的高带宽数据传输应用提供毫瓦每千兆位的方案。2、Camera LinkCamera Link 的标准是由数家工业摄影机及影像卡大厂共同制定出来的, 标准的本身是基于 Channel Link 的特性, 并定义出标准的接头也就是讯号线也标准化了, 让 Camera 及影像卡

10、的讯号传输更简单化了, 同时定义出基本架构(Base Configuration), 中阶架构(Medium Configuration), 及完整架构(Full Configuration) 的讯号接脚规范以及传输数据量。它是连接摄像头和图像采集卡的新标准，提供了超高的图像传送速度，并且同时提供 4 根摄像头的控制线。由于 Camera Link 的高性能、低成本以及其连接的便利性，迅速得到大多摄像头及图像采集卡的生产商的支持。是连接摄像头和图像采集卡的新标准，提供了超高的图像传送速度，并且同时提供 4 根摄像头的控制线。3、1394 4、USB5、千兆网视频信号的产生从摄影机端开始，透过一

11、个影像传输系统至中央控制室。在闭路电视系统中， 信号称为合成视频，而这合 成 视 频 信 号 振 幅 之 峰 值为 1 伏特 (1V)。下列为视频信号结构之组成部份：视 频 信 号:当影像的光源落在 CCD 摄影机之晶片上时，其像素即产生电量作用，而这 作用与落在晶片上的光线多少有相对关系，越多的光将会产生越大的电流，此电流可从晶片上读出并转变成视频信号。而晶片读取资料的方式是依晶片 种 类 的不同而有所差异。像素光线数量越大，视频信号的峰值将相对增大，在合成视频信号中，最大峰值是 0.7 伏特。换句话说，白色或 明亮的图片部分将有 0.7 伏特的信号强度，而黑色或者黑暗的部分则有 0 伏特的

12、信号 。水 平（行）同 步 信 号 :一个影像图框是由线组成的，在 NTSC 的标准中，每图框为 525 条线，而 PAL 标准为每图框有 625 条线。而在线上的每一个点，都反映视频信号的强度。在每一条线的末端，加入了一个水平同步脉波，通知摄影机和其他闭路电视的电子装 置，准 备结束此一图框或图场并让他们准备起始下一个图框或图场。脉波的持续时程决定于电子装置收到下一条图线的时间，而这个脉波的峰值为 0.3 伏特。垂 直（场） 同 步 信 号 :视频图像是由图框所组成，NTSC 的标准为每秒 30 个图框，而 PAL 彩色电视系统的标准为 每秒 25 个图框。闭路电 视系统为避免画面闪动现象，

13、将这个视频图框分成 2 个不同图场，称为奇图场和偶图场；这两个图场在摄影机点分离后，会在监视器端结合，通称图场结合或交错扫瞄 。 在每一个图框或图场的终端，增加了一个垂直同步脉波，藉以通知摄影机和其他闭路电视的电子装置，准备结束此一图框或图场，并让他们准备起始下一个图框或者图场。脉波的持续时程决定于电子装置收到下一个图场的时间，而这个脉波的峰值为 0.3 伏特。当此峰值加上视频信号之峰值时，其总峰值为 1 伏特。 镜头的选择和主要参数摄像头镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像头的整机指标，因此，摄像头镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。镜头相当于人

14、眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像头和照相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的后焦点，改变 CCD 芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以将模糊的图像变得清晰。由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就

15、是把镜头调整到最佳状态。1、镜头的分类按外形功能分 按尺寸大小分 按光圈分 按变焦类型分 按焦距长矩分球面镜头 1”25mm 自动光圈 电动变焦 长焦距镜头非球面镜头 1/2”3mm 手动光圈 手动变焦 标准镜头针孔镜头 1/3”8.5mm 固定光圈 固定焦距 广角镜头鱼眼镜头 2/3”17mm (1) 以镜头安装分类所有的摄像头镜头均是螺纹口的，CCD 摄像头的镜头安装有两种工业标准，即 C 安装座和 CS 安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C 安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是 17.526mm。CS 安装座：特种 C 安装，此时应将摄像头前部的垫圈取下再安装

16、镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是 12.5mm。如果要将一个 C 安装座镜头安装到一个 CS 安装座摄像头上时，则需要使用镜头转换器。(2) 以摄像头镜头规格分类摄像头镜头规格应视摄像头的 CCD 尺寸而定，两者应相对应。即摄像头的 CCD 靶面大小为 1/2 英寸时，镜头应选 1/2 英寸。摄像头的 CCD 靶面大小为 1/3 英寸时，镜头应选 1/3 英寸。摄像头的 CCD 靶面大小为 1/4 英寸时，镜头应选 1/4 英寸。如果镜头尺寸与摄像头 CCD 靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。(3) 以镜头光圈分类镜头有手动光圈（manual iris ）和自动光圈（auto iris）之分，配合摄像头使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄像头输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为视频输入型，另一类则利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈，称为 DC 输入型。自动光圈镜头上的