Il segnale video

L’immagine che compare su un monitor o su uno schermo televisivo può essere pensata come una matrice (array) bi-dimensionale di dati relativi all’intensità luminosa o al colore. Un dispositivo di ripresa (fotocamera, videocamera ecc.) fornisce in ogni caso, come segnale d’uscita, un flusso mono-dimensionale (stream) di dati analogici o digitali.

Per trasformare un fotogramma in un segnale bisogna acquisire i dati, se necessario digitalizzarli, e organizzarli in maniera adeguata per trasferirli attraverso il bus PCI, o altri tipi di bus con il relativo protocollo, nella memoria di sistema, dalla quale è possibile la visualizzazione come immagine.
Per comprendere questo processo ed essere in grado di evidenziare i problemi di visualizzazione, è necessario conoscere l’esatta struttura del segnale video da acquisire.

I segnali video analogici sono strutturati per essere trasmessi e visualizzati su uno schermo televisivo. Per fare questo bisogna seguire uno specifico schema che consente al segnale video in arrivo di essere convertito nei singoli “pixel” sullo schermo.
Si segue uno schema del tipo da sinistra a destra e dall’alto al basso, come illustrato nella seguente figura:


FIGURA 1

Uno dei parametri fondamentali di questo processo è la cosiddetta frequenza di aggiornamento che corrisponde al numero di fotogrammi che si susseguono in un secondo.
Alla frequenza di trenta fotogrammi al secondo, l’occhio umano può percepire uno sfarfallio nel momento in cui lo schermo viene aggiornato. Per ridurre al minimo l’entità di questo fenomeno si può utilizzare la scansione interlacciata (interlaced), secondo la quale l’immagine è suddivisa in due campi, uno contenente le linee numerate dispari, l’altro le linee pari. Con questa tecnica l’immagine è aggiornata con una frequenza di sessanta campi al secondo, mantenendo la stessa occupazione di banda.
La frequenza di sessanta aggiornamenti al secondo non è rilevabile dall’occhio umano.

Per alcune applicazioni ad alta velocità, si vuole aggiornare l’immagine il più rapidamente possibile per rilevare o misurare con precisione un movimento. In questo caso si può aggiornare l’immagine senza combinare i campi dispari e pari ad ogni fotogramma. L’immagine risultante ad ogni fotogramma è composta di un solo campo, di altezza pari a metà e frequenza d’aggiornamento doppia rispetto alla versione alternata.
Dispositivi video che forniscono in uscita un segnale di questo tipo sono detti a scansione progressiva (progressive scan).

Esiste un terzo tipo di tecnica, la cosiddetta scansione di linea, con la quale il segnale d’uscita restituisce una linea alla volta.
Un opportuno dispositivo, denominato Frame Grabber, raccoglie le linee e costruisce l’immagine, di altezza predeterminata, in un opportuno dispositivo di memoria.
Una variante di questa tecnica è l’acquisizione ad altezza variabile (VHA, Variable Height Acquisition). Con questa modalità il frame grabber memorizza le linee video fintantoché un opportuno segnale d’abilitazione resta attivo. Nel momento in cui il segnale d’abilitazione diventa inattivo, l’immagine risultante è trasferita alla memoria del sistema.

Le videocamere a scansione di linea sono spesso utilizzate per la ripresa di oggetti a forma circolare; per esempio se si ruotasse una lattina per bibita davanti ad una videocamera a scansione di linea, si otterrebbe l’immagine appiattita della superficie laterale della lattina. La scansione di linea è utile anche per la ripresa di oggetti in movimento su un nastro trasportatore; in questo caso si utilizzano due rivelatori, uno che segnala l’inizio dell’oggetto, l’altro la fine. In corrispondenza delle due situazioni vengono generati due segnali, uno d’inizio acquisizione dell’immagine l’altro di fine; in questo modo è possibile rappresentare oggetti di lunghezza variabile o sconosciuta a priori.

Segnali video analogici

Un segnale video analogico è un segnale a bassa tensione (valore tipico un volt picco-picco), che contiene informazioni sull’intensità di ogni linea, in combinazione con informazioni relative alla temporizzazione; queste ultime assicurano la sincronizzazione fra il dispositivo di rappresentazione dell’immagine e il segnale.

Il segnale per una singola linea orizzontale è costituito da un impulso di sincronismo orizzontale, il quale è delimitato da due fronti che in gergo sono denominati Front Porch e Back Porch, e da una zona attiva (Active Time). La tipica forma del segnale video analogico è la seguente:


FIGURA 2

L’impulso di sincronismo orizzontale segna l’inizio di ogni nuova linea orizzontale. L’impulso è seguito dal Back Porch il cui livello è usato come riferimento per rimuovere le componenti continue dal segnale video. Per i segnali monocromatici questo è effettuato in corrispondenza del Back Porch; per il segnale composito a colori il blocco della componente continua avviene durante l’impulso di sincronizzazione verticale.

Le informazioni relative al colore possono essere inserite nel segnale video monocromatico (gli standard comunemente diffusi sono il PAL e il NTSC). Il segnale composito a colori consiste in un segnale standard monocromatico (RS-170 o CCIR) cui sono aggiunte le seguenti componenti:

– Burst di colore, localizzato nel Back Porch; si tratta di componenti ad alta frequenza che forniscono un riferimento di fase e ampiezza per la successiva informazione relativa al colore.

– Segnale di croma: è l’effettiva informazione relativa al colore. È costituito da due componenti in quadratura, vale a dire sfasate di novanta gradi, che modulano una portante, chiamata sottoportante di crominanza. La fase e l’ampiezza di queste componenti determinano il contenuto di colore di ogni punto (pixel) dell’immagine.

Un altro aspetto del segnale video è l’impulso di sincronismo verticale. Si tratta in realtà di una serie d’impulsi che si collocano temporalmente fra un campo ed il successivo. Lo scopo degli impulsi è quello di generare il Vertical Retrace (vedi figura 1) e preparare la scansione del campo successivo.

Tra un campo ed il successivo vi sono diverse linee che non contengono informazioni sul segnale video. Alcune contengono solo impulsi di sincronizzazione orizzontale, mentre diverse altre contengono una serie d’impulsi relativi all’equalizzazione e alla sincronia verticale. Questi impulsi furono definiti all’inizio dell’era delle trasmissioni del segnale video e hanno sempre fatto parte dello standard televisivo. La tecnologia d’oggi ha eliminato la necessità di alcuni di questi impulsi.

Un segnale video interlacciato con standard RS-170, inclusi gli impulsi di sincronismo verticale è mostrato nella seguente figura, nella quale si riportano per semplicità solo sei linee:


La dimensione orizzontale (in pixel) di un’immagine ottenuta da una videocamera analogica è determinata dalla frequenza alla quale il Frame Grabber campiona ogni linea orizzontale. Questa frequenza di campionamento, a sua volta, è determinata dalla frequenza di linea verticale e dall’architettura della videocamera. In particolare le dimensioni di ogni pixel sono determinate dalla struttura del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) di cui la videocamera è dotata. Per evitare distorsioni dell’immagine, bisogna campionare in senso orizzontale ad una frequenza che suddivide la regione video attiva in un numero di pixel corretto. Lo standard RS-170 prevede i seguenti parametri:

– Linee per ogni “frame”: 525 (485 per l’immagine, il resto sono linee di sincronismo verticale per ognuno dei due campi).

– Frequenza di linea: 15.734 kHz (ogni linea è campionata 15734 volte al secondo).

– Durata della linea: 63.556 microsecondi.

– Durata attiva orizzontale: 52.66 microsecondi.

– Numero di pixel per ogni linea: 640.

Con questi dati possiamo fare alcuni calcoli:

– Frequenza di Clock del Pixel (PCLK, la frequenza alla quale ogni pixel arriva al “frame grabber”):

PCLK = (640 pixel/linea) / (52.66 microsecondi)= 12.15 X 106 pixel/sec = 12.15MHz

– Lunghezza totale della linea in pixel:

(63.556 X 10e-6 sec) X (12.15 X 10e6) sec = 772 pixel/linea

– Frequenza di frame:

(15734 linee/sec) / (525 linee/frame) = 30 frame/sec

Standard del segnale video analogico

La seguente tabella descrive alcune caratteristiche dei formati video analogici di uso comune:


Segnali Video Digitali

I segnali video in formato digitale sono prodotti da videocamere nelle quali il segnale è digitalizzato a livello della matrice CCD anziché nel Frame Grabber.
Applicazioni che richiedono l’uso del video digitale in genere includono alcuni o tutti i seguenti requisiti:

– Alta risoluzione spaziale.

– Alta risoluzione d’intensità.

– Alta velocità.

– Flessibilità nelle caratteristiche di “scanning” e temporizzazione.

– Immunità al rumore.

I segnali di temporizzazione per il video digitale sono molto più semplici di quelli del video analogico, poiché i segnali sono già in formato digitale.
Essi includono il Clock di Pixel, che temporizza il trasferimento dei dati, che può essere un ingresso o un’uscita per la videocamera; una linea d’abilitazione che segnala l’inizio e la fine di ogni linea di dati video e un’abilitazione del frame che segnala l’inizio ed il completamento di ciascun frame.
La struttura dei segnali è la seguente:


Questi segnali, così come i dati digitali stessi, possono essere di tipo single-ended (standard TTL), oppure differenziali (standard RS-422 oppure LVDS, Low Voltage Differential Signal).
Non esiste uno standard di scansione per i segnali video digitali, così che il Frame Grabber deve essere configurato per essere compatibile con tutti gli standard di scansione disponibili.

Alcune videocamere possono fornire come segnale d’uscita due, quattro, o più pixel in parallelo. Per esempio un Frame Grabber a trentadue bit (avente trentadue linee d’ingresso / uscita), è in grado di leggere quattro pixel da otto bit l’uno simultaneamente. In questo caso il Frame Grabber deve essere configurato in modo che possa posizionare i quattro pixel nella zona appropriata dell’immagine.
La documentazione della videocamera specifica l’esatto ordine in cui i dati dell’immagine saranno consegnati al Frame Grabber.

Luca Comi
NRG30 Network

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