机器视觉系统——视频信号

了解和熟悉视频信号是了解机器视觉系统的关键，在机器视觉系统中使用的视频信号种类繁多，这就为摄像头和采集卡的配合、视频系统的设计和调试等带来很多问题。本章简要介绍视频信号的各种结构形式。

视频信号分为黑/白和彩色的两大类，它们又都可以分为模拟和数字视频，其中，模拟视频又可分为标准和非标准视频，而数字视频又具有多种数据格式。

标准视频信号的周期、间隔时间、幅度等都有明确的规定，这些规定是为了使摄像头和电视机连在一起时能严格地协同工作，它们又称作闭路电视CCTV（Closed Circuit Television）视频信号，也是目前采用的广播电视标准，在机器视觉领域，被称为标准视频信号。目前最广泛使用的标准视频见下表

而非标准视频、数字视频大都是用于工业、医学、仪器仪表等领域，在很多视觉系统中也都采用了非标准视频。

3-1  标准黑白视频信号

3-1-1 视频信号的概述

视频信号最初是用于广播电视的，也就是说是要经过传输，尤其是无线传输送到观众的接收机上，由于图像的信息量是如此巨大，如果不对视频信号作一定的处理，就会占据无线通讯宝贵频带的很宽部分，为此对全电视信号在清晰度、闪烁性、叠加彩色后的与黑白图像的兼容性、所占用的带宽等方方面面作了精心的权衡与安排，研究设计出目前的黑白/彩色全电视信号标准。例如隔行扫描就是考虑到带宽、抗闪烁、清晰度等方面而巧妙设计的；PAL或NTSC的彩色图像制式就是考虑到人眼对颜色的着色特性，与原黑白视频的兼容性，在不影响黑白灰度信息的前提下，而将彩色信息调制后插入黑白全电视信号频谱的缝隙之中的。而所谓的不影响仅仅是理论上的，由于技术上的局限性，在接收端将黑白信息与彩色信息分离时，在大多数情况下会大大影响黑白信息的分辨率。视频信号的这些特性在广播电视中带来了巨大的好处，但在图像处理的使用场合又会带来很大的不便与缺陷。所以在用图像采集卡时大致了解一些视频信号的特性，对有效的构建用户自己的系统是很必要的。

3-1-2 黑白全电视信号及采集

摄像头获取图像形成视频信号是用扫描的方式逐行顺序进行的，从景物的左上角开始扫描第一行，然后向下移动扫描第二行，直至这场扫描完312行（PAL制），到第313行的一半时，这一场结束，形成了一幅奇场图像；从图像的最上部中间开始第313行的后半部扫描，见3-1，开始第二场即偶场的扫描，第二场的每一行夹在第一场的相邻行中间，直至625行结束，第二场图像结束，形成了一幅偶场图像，同时由奇场和偶场图像相邻行交叉形成了一帧图像。帧图像、奇偶场图像之间的关系见图3-2。从图3-1和图3-2可以看出，在水平方向一行中的像素从左到右是以纳秒级的速度顺序出现的，而一帧图像的上下两个相邻象素的相隔时间为一场的场周期，大约几十毫秒。这种隔行方式，在同样的分辨率、没有因人眼惰性有限而带来太大的闪烁性的情况下，视频信号的频带带宽几乎减低了一倍，节省了宝贵的通信资源。

从上述的视频信号的扫描方式可以看出，为了让接收端正确接受视频信号，除了传送代表图像亮暗的灰度信号外，尚需传送每一行每一场的同步信号。所以在黑白全电视信号中包含了三种主要信息，见图3-3，灰度图像、同步信号和消隐信号（图中的灰度图像为7条从最亮到最黑的黑白垂直条）。消隐信号，即黑电平，它处于零电平，在零电平的上部是灰度图像，数值越大越亮，零电平处为全黑，在零电平的下部是行、场同步信号，包括隔行扫描中的奇场和偶场的识别脉冲信息等。

从图3-3可以看出一行的扫描时间为64μs，行同步为4.7μs，一个场同步占有三行192μs的宽度，图中的a和b两图分别显示了奇偶场场同步及其附近各种同步信息的图像信号，从左到右顺序显示了图像底部的行信号、前均衡脉冲、场同步脉冲及内部所含的槽信号、后均衡脉冲、行同步、图像顶部的行信号。行同步和场同步都是处于零电平之下的负脉冲，它们幅度相等，宽窄不等，接收端就是用宽窄来区分它们的。其中的前后均衡脉冲和场同步脉冲中的槽，都是为了保证在场同步时继续保持行的同步，并区分奇偶场。图3-3（c）显示了一行的视频信号，行同步信号的两侧是黑电平（零电平），黑电平以上是代表图像的视频信息，有效的视频信息宽54μs。图像采集卡为了正确地采集图像，需把上述的行同步、场同步、均衡脉冲、槽信号、奇偶场信号正确地检测出来，并保持与视频信号源的同步。具有所有上述信息，在PAL制时行周期为64μs，场周期为20ms，帧周期为40ms，信号幅度在峰峰值1伏左右等标准的信号为标准黑白全电视信号。

3-2  标准彩色视频信号

在自然界，色彩是非常丰富的，而根据人眼彩色视觉特性，在第1-2-1节已经讨论过颜色的相加性，为了重现客观景物的色彩，不需要恢复原景物反射光的所有光谱成分，只要使人获得与原景物色彩相同的主观彩色感受就可以了。

在电视中，用红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基色光来混合配出各种色彩已能基本满足人眼的色彩感觉了，这种方式大大简化了彩色电视的传送和再现过程。

3-2-1 RGB彩色信号

这是大多数彩色摄像头最原始的信号，基本上未经过压缩和处理，所以RGB信号是彩色信号形式中分辨率最高，灰度损失最小的视频信号，它能获得最好的图像质量，是高档视觉系统中采用的信号形式。

RGB信号除了用三根电缆分别传送外，尚需两根电缆传送行和场同步信号；也可以将行场同步合并用一根电缆传送，还可以将行场同步，像黑白全电视那样，与RGB混合起来传送，特别是和绿路视频混合，这时三根电缆就将两个设备，例如摄像头和采集卡，连接起来。

3-2-2 YUV分量式

为了视频信号的传输，用RGB方式是不合适的，它们的传送信息量太大，同时和黑白信号也是不兼容的，为此将RGB转换成YUV形式

Y=0.30R+0.59G+0.11B

U=R-Y

V=B-Y

式中的Y就是黑白视频信号，配上同步、均衡等其他信号后，就成为黑白全电视信号；U和V是彩色信息，它们已没有Y成分，只代表颜色和颜色的大小。由于人眼对图像细节的感知主要取决于黑白信息，即Y，而不是彩色信息U和V，所以Y灰度视频的频带是6MHz，而U和V则压缩到1.3MHz就足够了。

YUV彩色信号方式在广播电视中经常使用，它们使用3根线，分别传送Y、U、V，其中Y信号是包含同步的黑白全电视信号。

3-2-3 S-Video（Y/C格式）

为了把YUV信号进一步混合，以便只用一个通道传送彩色电视信号，先把U和V彩色分量进行正交调制，就是用一个4.43MHz的正弦和余弦波分别对U和V进行幅度调制，由于它们是正交的，可以将这两个调制信号直接混合。混合后的彩色信号仍为一正弦波，它的相位以角度的方式代表了颜色，即色度；而它的幅度代表这种色度的颜色的深浅，即饱和度。

这样YUV信号转换成了两个信号，一个仍是黑白全电视信号Y，另一个为代表彩色信息C的色差信号，所以被称为Y/C，或S-Video信号。

这种信号用两根线传送，一个为包括同步信号的黑白全电视信号，一个为色差信号“C”。

用于机器视觉的摄像头大多具有这种输出格式，这是一种在较廉价的摄像头中具有较高图像质量的格式。

3-2-4 彩色全电视信号

CCTV的最终目的是要将彩色电视信号转换成能用一跟电缆传送的信号，而这个信号又要能与原来的黑白电视兼容。Y就是黑白电视信号，经研究发现它是一个以行频为重复周期的周期性信号，所以它的频谱不是连续的，而有很多空隙；而我们所选的对U和V调制的载波频率，使调制后的色差信号C的频谱正好落在这些空隙内，这样将Y和C混合后就不会“互相干扰”了。混合后的彩色全电视信号见图3-4，图中显示了一行视频，图（a）为7条从亮到黑的黑白条，图（b）为7个彩条的彩色信号。在图（b）的后肩上，有一小段调制色差信号的负载波，又称色同步信号，它作为色差信号C的一个参照信号，它们之间的相位差代表色度；同时色同步信号又是在接收端用来解调色差信号C的负载波。图3-4中行正程的黑白视频信号上叠加了黄、青、绿、品红、红、蓝六个彩条，在图的右下角显示了一个 彩条和黑白视频的叠加后的波形，以及色负载波的相位和大小的意义。

RGB、YUV、S-Video直至复合彩色视频的几种表达方式，视频信号越来越紧凑，但同时又越来越难以再把它们精确地恢复到RGB形式，所以在选择视频信号的格式时，在条件许可的情况下应尽可能按顺序选择RGB、YUV、S-Vdido最后才是复合视频信号。

3-3  非标准视频信号

所谓非标准视频具有下列三个特点，或者这些特点的组合。

3-3-1 非标准的时序

视频信号不遵守上节所述的标准视频信号的时序，这种信号不能用标准视频采集卡和标准的解码电路来处理。例如大多数医疗设备、计算机的VGA输出等都是非标准视频。

3-3-2 百万级像元分辨率的视频

现代摄像头的分辨率越来越高，CCIR标准摄像头的代表分辨率的像元数为768×576，而这一标准已被百万级分辨率大大超过，例如1024×768，1300×1024，甚至于更高分辨率的视频。

3-3-3 逐行扫描

不分奇偶场，一场扫描即为一帧。机器视觉系统在获取运动物体时，逐行扫描是不可或缺的，详情将在下一章介绍（市场上大多数摄像头是隔行的，它们用于电视监控和其它以观看为主要目的的场合）。

3-4  数字视频

摄像头的视频输出不用模拟形式，而采用数字信号有两个目的：

a.A/D转换在摄像头内进行，它紧邻CCD芯片，甚至于就在CMOS芯片内，所以A/D转换和图像传感器的时钟配合准确、视频受外界的干扰小，视频质量高。很多在对图像质量要求较高的高档摄像头上，都采用了数字视频输出方式；

b.如果将数字视频转换成计算机所具有的标准总线信号形式，则不需要采集卡，而将摄像头直接和计算机连接，即可采集图像，例如USB2.0、IEEE1394总线，甚至最近推出的千兆以太网。对图像质量和速度要求不是特别高的机器视觉系统都可采用这一类总线，将使系统简单而又方便，很多CMOS摄像头采用这种输出方式。

下面，我们介绍几种常用的数字视频格式标准和传送方式。

3-4-1 LVDS和RS-644低电压差分数据总线

在介绍LVDS和RS-644之前，我们先介绍一下RS-232和RS-422。它们都是串行数据接口标准，标号从小到大一代代发展过来，发展到RS-422时，采用了对称平衡输出方式，从而大大提高了抗干扰能力，并提高了传送速度和距离。同时，数字摄像头选用了RS-422来传送数字视频，每一个bit位用一对RS-422，8bits则至少需用8对RS-422接口来传送。但RS-422的速度仍不能满足对速度的需求。1996年，又开发出一种被称为LVDS的低电压差分信号装置（Low Voltage Differential Signaling Device），LVDS也使用了平衡式差分信号，而其“0”和“1” 之间的跳动电压的标称值只有350mv，这种低电压的跳动降低了上升和下降沿的时间，从而大大提高了传送速度，见图3-5。将LVDS用到RS-422上，改称为RS-644，还被称作ANSI/TIA/EIA-644。RS-422的传送速度小于20MHz，而RS-644则大于400MHz。

3-4-2 Camera link

在数字摄像头中使用RS-644标准时，每一个bit需一对LVDS线，如果视频为8bits,则至少要8对线传送数据，再加上时钟、帧、行和点等控制信号，则至少要12对LVDS电缆，如果要传送8bits的彩色RGB数字视频，则至少要28对线，这是一大捆线，使用非常不方便。

另外，LVDS只定义了一个信号发送和接受的电气特性，它没有定义信号传送的协议、连接方式和接插件的细节。

所以各摄像头和采集卡制造厂在使用RS-644时不但没有公认的信号传送的协议，就连对接插件的使用，各个厂家也各行其是。这为摄像头和采集卡制造企业，也为用户带来了极大的混乱和维护成本。往往是买了摄像头后用户需要仔细了解用哪一个厂家的采集卡来采集，反过来，先买了采集卡的用户要为摄像头的选用发愁，还需为它们配备特定的接插件和电缆。

直至2000年，摄像头和采集卡厂商才坐到一起，共同制定了Camera Link 接口协议，及摄像头和采集卡之间的连接标准。Camera Link 是基于美国国家半导体公司的Channel Link 技术而制定的。而Channel Link的基本单元又使用LVDS作为传送单元。

Camera Link 是专为视觉应用而制定的通讯接口标准，特别是数字摄像头和采集卡之间的连接。它选择了美国国家半导体公司的两个发送和接收芯片，发送端将28路宽的输入数据分成4组串行数据，在4对双绞线中传送，每一对线传送7个串行数据，图3-6，另有一独立的通道专门传送时钟。这样，5个通道共传送28bits宽的数据，它们正好可以传送RGB三路24bits彩色视频数据，加上场、行和点使能控制及一个备份通道。

28bit组数据传送的Camera Link只是一个基本模式，它还定义了中等型和完全型一共三个模式，见图3-7，完全模式可传送84路宽的数据。

这三对发送接收芯片分别独立使用自己的时钟信号。在基本型芯片中，有两种控制和通讯信号的传送：

摄像头控制信号：四对LVDS线，用来作采集卡对摄像头的控制之用，由摄像头制造商自行定义。

异步串行通信：两对LVDS线，用于摄像头和采集卡之间的互相通信，可达9600波特率。

从上述Camera Link的标准来看，它充分使用了LVDS的高速传输能力，适当地进行数据的串并结合传送。在传送电缆较少的条件下，传送尽可能宽的视频数据。同时它对电缆、接插件、接插件中的每一个接点都作了明确的定义，规范了摄像头和采集卡产品之间的连接方式。

3-4-3 通用计算机接口

适用于机器视觉的两个速度较快的通用数字式接口为USB2.0和FireWire(IEEE 1394)两种接口。这两种接口都是近几年出现的，但遗憾的是Intel都未把这两种接口集成到它的新的芯片组合中，妨碍了它们的推广。由NEC开发出一种芯片，使得USB2.0能集成到主机板中了；而FireWire还主要通过扩展卡来支撑。

USB2.0和FireWire的技术特性非常接近：

USB（Universal Serial Bus）

1、1.5，12，480Mbit/s三档；

2、USB控制器申请总线和数据传送的控制；

3、电缆不超过5米；

4、支持高达127个设备；

5、电源为5V，500MA；

6、和USB1.0全兼容。

FireWire(IEEE 1394)

1、100，200，400Mbit/s三档；

2、设备间对等通讯（peer_to_peer）；

3、电缆不超过4.5米；

4、支持高达64个设备；

5、电源12V，1.25A；

6、主要使用在家用数字摄像头。

从上述两种总线的性能来看，它们目前尚不能实时连续地传送分辨率较高的摄像头数据，只适用于较低档图像质量的机器视觉系统。但从发展的角度来看，它们的最高传送速度将能满足大多数分辨率摄像头的数据传送。采用这两种总线不再需要图像采集卡，将摄像头和计算机直接连接即可。

3-4-4 千兆以太网视觉接口

由于网络的极大普及和推广，实现机器视觉摄像头的数字视频信号直接通过网络来传送具有较大的吸引力。

以太网和快速以太网是第一、第二代以太局域网标准，它们的最高数据传送速度分别为10兆比特（10Megabits）和100兆比特（100Megabits）。在这样的速度下，直接传送连续的高质量数字视频信号太慢了，只能传送经过压缩处理的视频信号，而不能直接传送未经加工的原始视频数据。

千兆以太网（Gigabit Ethernet，GigE）是最新一代，正在逐步推广的局域网标准，它的传输速度可以高达千兆比特（1000 Megabits），这个速度已经能满足大多数机器视觉用的高性能摄像头的视频数据流的传输。有的摄像头厂商已经开发出了适用于千兆网的数字摄像头，但是这些摄像头不是标准的，只能用于特定的场合。

AIA（Automated Imaging Association）在千兆以太网（Gig-E）的基础上，制定了一个专门用于机器视觉用高档摄像头的接口标准，称作GigE Vision，这个接口标准包括硬件接口标准（GigE）、通讯协议以及标准化的摄像头控制寄存器。

由于千兆网的杰出特性，为机器视觉摄像头提供了其它任何一种现有的标准所无法提供的优秀性能。而AIA制定的标准化摄像头通讯协议，GigE Vision，使千兆网的使用更具吸引力：

1. 千兆以太网接口在PC机和便携式PC机中已经越来越普及了，没有必要使用专门的接口卡或采集卡。
2. 千兆网提供了足够高的图像数据传送速度，这个速度能满足工业机器视觉应用中的90%的份额。所以不再需要价格昂贵、复杂的其它接口方式，如CameraLink；
3. 使用廉价的电缆（CAT5或CAT6），即可提供距离远达100米的实时连续图像传输。除非使用昂贵的光纤，这也是CameraLink，firewire，USB等接口所无法达到的。
4. GigE Vision和千兆以太网的硬件，如交换机、集线器等全面兼容，在要求多点观察的应用场合，如智能交通管理系统，公共安全系统中，这些设备提供了廉价而又方便的多台摄像头切换解决方案。
5. 使用简单的工具即可在现场加工，安装CAT5和CAT6电缆。所以特别适用于野外摄像头的安装。

最后

以上就是贪玩星星为你收集整理的机器视觉系统——视频信号的全部内容，希望文章能够帮你解决机器视觉系统——视频信号所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。