通过本实验了解视频技术的基本概念，熟悉简单的视频信号处理方法。

本实验要求使用FPGA将从AV接口输入的CVBS复合视频广播信号转换为符合ITU-R 656标准的数字视频信号，同时提取场行同步信号，同时将该数字视频信号从隔行扫描转变为逐行扫描转换，最后将视频信号从YCbCr颜色空间转换为RGB颜色空间，由VGA接口输出显示在显示器上。

CVBS是模拟彩色电视是在未叠加声音信号和未调制到射频发射出去前的信号，其全称为Composite Video Blanking and Sync。CVBS主要由图像信号、复合同步信号和复合消隐信号三部分组成。图像信号是电视系统所传送的图像信息，它是在场扫描正程期间和行扫描正程期间内传送的。其它信号则是为了确保图像清晰和稳定而设置的辅助信号，其中复合消隐（含行、场消隐）信号，是为了消除行、场回扫期间的痕迹以使图像清晰；而复合同步（含行、场同步、槽脉冲和均衡脉冲）信号，则是为了确保电视机重现图像清晰与电视台发送图像严格同步，正确重现图像并使之稳定。这些辅助信号都是在行、场逆程期间传送的。其中图像信号具体表达如图 19 1所示，其中Y表示亮度信号，Cb表示饱和度，而Cr表示色度。

目前主流的模拟彩色电视标准分为PAL、NTSC和SECAM三种。 每一种标准对应的CVBS信号的格式又各不相同，所以在模拟领域各种标准之间电视节目互相转换比较困难，为了方便各个标准的节目的交换，国际无线电咨询委员会就制定了相应的数字标准，具体将在章节2.2内介绍。

1982年CCIR(International Radio Consultative Committee国际无线电咨询委员会)制定了彩色视频数字化标准，称为CCIR601标准，现改为ITU-R 601标准。该标准规定了彩色视频转换成数字图像时使用的采样频率，RGB和YCbCr两个彩色空间之间的转换关系等。 为了便于国际间的节目交换，为消除数字设备之间的制式差别，以及为了 625行电视系统（PAL）与 525行电视系统（NTSC）之间兼容，向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出，在 1982年2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第15次全会上，通过了601号建议，确定以分量编码为基础，即以亮度分量Y和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准，601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。该标准规定： ➢ 不论是PAL制，还是 NTSC制电视，Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。 ➢ 抽样后采用线性量化，同时规定了每个样点的量化比特数，用于演播室的量化位数为10bit，用于传输为8bit。 ➢ Y、R-Y、B-Y三分量样点之间比例为4:2:2。亮度信号的抽样频率为13.5MHz，每个色差信号的抽样频率为6.75MHz，其抽样频率之比为4:2:2，或者说，每数字有效行亮度信号的取样点数是720个，而每个色差信号的取样点数是360个，其取样点数之比也为4:2:2，这就是数字分量编码的4:2:2标准，也称为4:2:2格式，用作演播室数字设备及其联接或国际节目交换时的数字化标准。如图 19-2所示。

➢ 进一步明确了模拟与数字行的对应关系，并规定从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔，对 525行、60场／秒制式（NTSC）来说为16个样点，对625行、50场/秒制式(PAL)则为12 个样点。不论625行／50场或525行／60场，其数字有效行的亮度样点数都是720，色差信号的样点数均是360，这是为了便于制式转换。若亮度样点数被2除，就得到色差信号的数据。

为了保证信号的同步，采样频率必须是电视信号行频的倍数。CCIR为NTSC、PAL和SECAM制式制定的共同的电视图像采样标准：

这个采样频率正好是PAL、SECAM制行频的864倍，NTSC制行频的858倍，可以保证采样时采样时钟与行同步信号同步。对于4:2:2的采样格式，亮度信号用13.5MHz频率采样，两个色差信号分别用fs／2＝6.75MHz的频率采样。除了标准的4:2:2格式之外，还有将色差信号的抽样频率取为3.375MHz的较低标准的4:1:1和4:2:0格式。另外还有为适合更高图像质量要求而将色差信号抽样频率取为13.5MHz的更高标准的4:4:4格式。

根据采样频率，可算出对于PAL和SECAM制式，每一扫描行采样864个样本点；对于NTSC制则是858个样本点。由于电视信号中每一行都包括一定的同步信号和回扫信号，故有效的图像信号样本点并没有那么多，CCIR 601规定对所有的制式，其每一行的有效样本点数为720点。不同的制式其每帧的有效行数不同，PAL和SECAM制为576行，NTSC制为484行。

CCIR 601规定，每个样本点都按8位数字化，也即有256个等级。但实际上亮度信号占220级，色度信号占225级，其它位作同步、编码等控制用。如果按fs的采样率4:2:2的格式采样，则数字视频的数据比特率为：

ITU-R BT.601是16位数据传输，Y、U、V信号同时传输。ITU-R BT.656是YUV串行传输，不需要同步信号，8位数据传输，传输速率是601的2倍,先传Y，后传UV。656输出的是串行数据，行场同步信号嵌入在数据流中，也即是嵌入到图3所示的AV信号内，通过分析AV8bit数据可以得到行场同步信号；而601是并行数据，行场同步有单独输出。具体如图 19-3所示。其中行起始、结束的标准位为：FF 00 00 XX，根据该标准可以检出行同步。

隔行扫描就是每一帧被分割为两场，每一场包含了一帧中所有的奇数扫描行或者偶数扫描行，通常是先扫描奇数行得到第一场，然后扫描偶数行得到第二场。由于视觉暂留效应，人眼将会看到平滑的运动而不是闪动的半帧半帧的图像。模拟数字电视信号均是隔行扫描信号，而目前大部分VGA显示器均使用的是逐行扫描，而在本实验中需要在VGA显示数字化后的模拟电视信号，所以需要将电视信号从隔行转换为逐行扫描。具体转换算法有很多种，在不同场合适应不同算法，在此采用了一种最简单的隔行转为逐行的算法：就是通过简单的重复每一行，每一场扩大为完整的一帧。

ADV7181是美国ADI公司生产的一款低功耗的多功能数字视频解码芯片。它可以自动检测 NTSC、 PAL和 SECAM等标准的复合电视信号并将其转换为 16位或 8位的 IT U-R BT.656 YUV 4:2:2的视频数据输出格式。

ADV7181内部共有 240个控制寄存器用来对该芯片的功能和状态进行设置和查询。这些寄存器的取值对ADV7181的功能和状态的影响的详细内容可以参考 ADV7181的数据手册。 ADV7181的寄存器的取值分为默认值和设置值。它对应芯片设计的初始化功能状态；默认值是芯片复位后的寄存器缺省取值，设置值是通过I2C总线配置方式对这些控制寄存器的默认值进行修改，以达到重新设定 ADV7181的各种功能的目的。具体的向ADV7181的读写时序如图 19-4所示，其中A(s)是传输8bit数据后的ACK信号，此时该信号应该被拉低。