ビデオ​信号​計測・​生成​の​基本

概要

この​チュートリアル​は、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の 信号​発生​器​チュートリアル高速​デ​ジ​タイ​ザ​チュートリアル シリーズ​の​一環​です。​この​シリーズ​の​チュートリアル​は、​理論​の​説明​や​実用​的​な​サンプル​によって、​一般​的​な​計測​アプリケーション​に関する​特定​の​トピック​について​紹介​する​もの​です。​この​チュートリアル​では、​ビデオ​信号​の​計測​と​生成​に関する​基本​について​説明​し​ます。 ​信号​発生​器​の​概念​に関する​詳細​は、 信号​発生​器​の​基本​トップページ で​ご覧​い​た​だけ​ます。 ​高速​デジタイザ​の​概念​に関する​詳細​は、 高速​デジタイザ​の​基本​トップページ で​ご覧​い​た​だけ​ます。

コンテンツ

コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号​とは

コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号​と​は、​ビデオ​信号​を​生成​する​ため​に​必要​な​成分​が​全て​1​つ​の​信号​に​組​込​まれ​て​いる​信号​の​こと​を​いい​ます。​コンポジット​信号​は、​以下​の​3​つ​の​主要​成分​から​構成​さ​れ​てい​ます。

  • 輝度​信号​(ルミナンス)​―​ビデオ​画像​の​強度​(明​る​さ/​暗​さ)​情報​が​含​まれ​てい​ます。
  • 色​度​信号​(クロマ)​―​ビデオ​画像​の​色​情報​が​含​まれ​てい​ます。
  • 同期​信号​(シンク)​―​テレビ​画面​など​の​ディスプレイ​上​における​信号​の​スキャン​を​制御​し​ます。

モノクロ​コン​ポジ​ッ​ト​信号​は、​輝度​(ルミナンス)​と​同期​(シンク)​の​2​つ​の​成分​で​でき​てい​ます。​この​信号​は、​通常Y信号​と​呼​ば​れ​ます​(図​1​参照)。

図​1.​モノクロ​コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号​(白​から​黒​の​輝度​ステップ)

色​度​信号​(クロマ)​は、​通常C信号​と​呼​ば​れ​ます​(図​2​参照)。

図​2.​カラー​バー​ライン​の​色​情報​信号​(カラー​バースト​を​含む)

CVBS(Color Video, Blank, and Sync)​信号​と​呼ばれる​こと​も​多い​コン​ポジ​ッ​ト​カラー​ビデオ​信号​は、​Y​と​C​の​和​です​(図​3​参照)。

CVBS = Y + C

図​3.​カラー​バー​ライン​の​カラー​コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号

YCの​2​つ​の​成分​は、​2​つ​の​別個​の​信号​として​別々​に​分散​する​こと​も​可能​です。​その​2​つ​の​信号​を​併​せ​た​もの​を、​Y/​C​または​S-​Video​と呼びます。

ビデオ​信号​の​成分

1​つ​の​水平​ビデオ​ライン​(走査​線)​の​信号​は、​水平​シンク​信号、​バック​ポーチ、​アクティブ​ピクセル​領域、​フロント​ポーチ​から​な​って​い​ます​(図​4​参照)。

図​4.​ビデオ​信号​の​成分

 

水平​シンク​(HSYNC)信号​が​各​新規​ビデオ​ライン​の​始まり​を​示し​ます。​その後​に​続く​バック​ポーチ​は、​浮動​(AC​カプリング)​ビデオ​信号​から​DC​成分​を​取り除く​ため​の​基準​レベル​として​使用​さ​れ​ます。​これ​は​モノクロ​信号のク​ランプ​インターバルで、​バック​ポーチ​において​行​われ​ます。​コン​ポジ​ッ​ト​カラー​信号​の​場合、​ク​ランプ​は​水平​シンク​パルス​に​て​発生​し​ます。​これ​は​ほとんど​の​バック​ポーチ​が、​信号​の​色​成分​を​復号​化​する​ため​の​情報​を​提供​するカラー​バーストに​使用​さ​れる​ため​です。​ビデオ​信号​の​セットアップ​パラメータ​について​は、​Measurement & Automation Explorer​の​ヘルプ​で​わか​りや​すく​説明​さ​れ​てい​ます。

​色​情報​は、​モノクロ​ビデオ​信号​に​も​含める​こと​が​でき​ます。​コン​ポジ​ッ​ト​カラー​信号​は、​標準​の​モノクロ​信号​(RS-170​または​CCIR)​に​次​の​成分​を​追加​した​もの​です。

  • カラー​バースト:​バック​ポーチ​に​あり、​以降​の​色​情報​の​位相/​振幅​基準​と​なる​高周波​領域​です。
  • 色​度​(クロマ)​信号:​これ​が​実際​の​色​情報​です。​カラーバースト周波数においてキャリアに変調された​2​つ​の​直交​成分​から​な​って​い​ます。​これらの​成分​の​位相​と​振幅​によって、​各​ピクセル​の​色​成分​が​決まり​ます。

 

ビデオ​信号​の​もう​1​つ​の​側面が垂直​シンク​(VSYNC)パルス​です。​これ​は​実際​に​は​フィールド​間​で​発生​する​一連​の​パルス​の​こと​で、​垂直​帰​線​を​実行​し​次​の​フィールド​の​スキャン​を​準備​する​よう​モニタ​に​知らせ​ます。​各​フィールド​に​は​アクティブ​な​ビデオ​情報​が​含​まれ​ない​ライン​が​複数​あり​ます。​一部​は​HSYNC​パルス​しか​含​んで​いま​せん​が、​一連​の​等​化​パルス​と​VSYNC​パルス​を​含む​もの​も​あり​ます。​それらのパルスはテレビ放送が始まった初期の頃に定義され、​以来​標準化​さ​れ​てい​ます​が、​新しい​ハードウェア​技術​が​開発​さ​れ​た​こと​で、​その​よう​な​パルス​の​一部​は​必要性​が​なく​な​って​い​ます。​RS-170​コン​ポジ​ッ​トイ​ン​ター​レース​信号​を​図​5​に​示し​ます。​これ​に​は​垂直​シンク​パルス​が​含​まれ​てい​ます。​わか​りや​すく​する​ため、​6​ライン​ある​フレーム​を​示し​てい​ます。

 

図​5.​VSYNC​パルス

ここ​で​重要​な​の​は、​アナログ​カメラ​から​入力​した​画像​の​水平​サイズ​(ピクセル​数)​は、​フレームグラバ​が​各​水平​ビデオ​ライン​を​サンプリング​する​レート​によって​決まる​という​こと​です。​そして​その​レート​は、​垂直​ライン​レート​と​カメラ​の​アーキテクチャ​によって​決まって​い​ます。​カメラ​の​CCD​アレイ​の​構造​は、​各​ピクセル​の​サイズ​を​決定​し​ます。​画像​の​歪み​を​防ぐ​ため、​水平​アクティブ​ピクチャ​エリア​を​適切​な​ピクセル​数​に​分割​する​レート​で、​水平​方向​に​サンプリング​する​必要​が​あり​ます。​RS-170​規格​で​定義​さ​れ​た​数値​例​を​以下​に​示し​ます。

​主​な​パラメータ:

  • ライン​数/​フレーム:​525(ディスプレイ​の​485​ライン​を​含み​ます。​残り​は​2​つ​の​フィールド​それぞれ​の​VSYNC​ライン​です。)
  • ライン​周波数:​15.734 kHz
  • ライン​持続​時間:​63.556​マイクロ秒
  • アクティブ​水平​ライン​持続​時間:​52.66​マイクロ秒
  • アクティブ​ピクセル​数/​ライン: 640

ここ​で、​いくつか​の​計算​が​行​え​ます。

 

  • ピクセル​クロック​(PCLK)周波数​(各​ピクセル​が​フレームグラバ​に​到達​する​周波数):
    ​640​ピクセル/​ライン/​52.66 e-6​秒/​ライン​= 12.15 e6​ピクセル/​秒​(12.15 MHz)
  • アクティブ​ビデオ​の​総​ライン​長​(ピクセル)​+​タイミング​情報(HCOUNTで​表記):
    ​63.556 e-6​秒 * 12.15 e6​ピクセル/​秒​= 772​ピクセル/​ライン
  • フレーム​レート:
    ​15.734 e3​ライン/​秒/ 525​ライン/​フレーム​= 30​フレーム/秒

様々​な​ビデオ​フォーマット

以下​の​表​は、​一般​的​に​使用​さ​れ​て​いる​標準​アナログ​ビデオ​フォーマット​の​特性​を​示し​てい​ます。

​NTSC: National Television Standards Committee
​PAL: Phase Alteration Line
​SECAM: Systeme Electronic Pour Coleur Avec Memoire

フォーマット NTSC PAL SECAM
使用​地域 北米、​中​米、​日本 ヨーロッパ​(仏​除く)、​オーストラリア、​アフリカ​と​南米​の​一部 フランス、​東​ヨーロッパ、​ロシア、​中東​と​アフリカ​の​一部
モード モノクロ カラー モノクロ カラー モノクロ カラー
信号名 RS-170 NTSC​カラー CCIR PAL​カラー
フレーム​レート
30 29.97 25 25 25 25
垂直​ライン​分解能 525 525 405 625 819 625
ライン​レート
15,750 15,734 10,125 15,625 20,475 15,625
画像​サイズ

640x480 768x576 指定​なし

 

カラー​コーディング

すべて​の​PAL/​NTSC​フォーマット​で、​コーディング​は​QAM(直交​振幅​変調)​の​概念​に​基​づ​い​てい​ます​ので、​2​色​成分​は​直交​で​振幅​変調​さ​れ​て​から​結合​さ​れ​ます。​変調​は​復号​化​する​必要​が​ある​ので、​カラー​情報​を​復号​化​する​の​に​必要​な​絶対​位相​を​追跡​する​ため、​カラー​バースト​と​呼ばれる​基準​信号​が​水平​シンク​パルス​の​直後​の​各​ライン​の​最初​に​挿入​さ​れ​ます​(図​3​および​4​参照)。

SECAM​フォーマット​では、​2​色​成分​は​2​つの異なるサブキャリア周波数を用いて周波数変調され、​以降​1​つ​おき​の​ビデオ​ライン​に​分配​さ​れ​ます。​SECAM​フォーマット​に​は​カラー​バースト​信号​は​必要​ありま​せん。

ビデオ​レベル

ビデオ​レベル​は、​ビデオ​信号​の​様々​な​部分​の​レベル​と​範囲​を​定義​し​ます。​ビデオ​レベル​の​定義​に​は、​IRE(Institute of Radio Engineers)​という​単位​が​用​い​ら​れ​ます。​ブラ​ン​キング​レベル​は​0 IRE​を、​白​レベル​は​+100 IRE​を​示し​ます。​ブラ​ン​キング​レベル​は、​ビデオ​信号​の​基準​レベル​で​あり​(通常​0 V)、​図​6​に​示す​よう​に​セットアップ​が​信号​に​適用​さ​れ​た​場合​の​黒​レベル​と​は​異​なり​ます。

図​6.​ビデオ​レベル

NTSC​の​場合、​通常​7.5 IRE​の​セットアップ​が​適用​さ​れ​ます​ので、​黒​レベル​が​+7.5 IRE​に​移動​し​ます。​PAL​と​SECAM​の​場合​は、​黒​レベル​は​0 IRE​で​ブラ​ン​キング​レベル​に​同調​さ​れ​ます。

以下​の​表​は​各​ビデオ​フォーマット​の​様々​な​ビデオ​レベル​を​示し​てい​ます。

 

ビデオ
フォーマット
シンク
レベル
ブラ​ン​キング
レベル
黒​レベル
白​レベル
ピーク
レベル
バースト
振幅
NTSC
–​40 IRE
0 IRE
+7.5 IRE
+100 IRE
+120 IRE
20.0 IRE
PAL
–​43 IRE
0 IRE
0 IRE
+100 IRE
+133 IRE
21.5 IRE
SECAM
–​43 IRE
0 IRE
0 IRE
+100 IRE
+130 IRE
N/A

 

アナログ​コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号​は、​75​オーム​の​出力​インピーダンス​を​持つ​電圧​ソース​として​定義​さ​れ​ます。​シンク/​白​レベル​間​は、​75​オーム​の​抵抗​の​場合​通常​1 Vpk-​pkです。​そのため、​負荷​の​ない​信号​では​通常​2 Vpk-​pkです。

インター​レース​スキャン​の​概念

全て​の​コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​システム​では、​インター​レース​スキャン​を​使​って​テレビ​画面​に​ビデオ​画像​を​表示​し​ます。​図​7​は、​インター​レース​スキャン​の​概念​を​示し​てい​ます。

 

図​7.​テレビ​画面​で​の​インター​レース​スキャン

アナログ​ビデオ​信号​に​は、​左​から​右​の​ライン​ごと​と​上​から​下​の​フィールド​ごと​の​スキャン​を​制御​する​同期​パルス​が​含​まれ​ます。​ライン​ごと​の​スキャン​を​制御​する​パルス​は​水平​シンク​パルス​(H-​Sync)​と​呼​ば​れ​ます。​垂直​スキャン​を​制御​する​パルス​は​垂直​シンク​パルス​(V-​Sync)​と​呼​ば​れ​ます。

2​つ​の​インター​レース​フィールド​で​1​つ​の​フレーム​に​なり​ます。​最初​の​フィールド、​奇数​フィールド​は、​ビデオ​画像​の​奇数​ライン​を​スキャン​し​ます。​2​つめ​の​フィールド、​偶数​フィールド​は、​ビデオ​画像​の​偶数​ライン​を​スキャン​し​ます。​この​プロセス​を​各​フレーム​について​繰り返し​ます。

参考​資料

インター​レース​画像​を​集録​する​際、​偶数​と​奇数​の​どちら​の​フィールド​が​先に​スキャン​さ​れ​ます​か?

インター​レース​ビデオ​信号​では​偶数​フィールド​と​奇数​フィールド​は​どの​よう​に​区別​さ​れ​てい​ます​か?

アクティブ​ピクチャ

スキャン​によって​得​ら​れ​た​アクティブ​ビデオ​画像​は、​ビデオ​フォーマット​に​関係​なく​常に​縦横​比​が​4/3​に​な​って​い​ます。​カラー​コン​ポジ​ッ​ト​ビデオ​信号​の​スキャン​プロセス​では、​各​ライン​の​右側​と​左側、​および​アクティブ​ピクチャ​エリア​の​上と下​に​余分​な​スペース​が​必要​です。​この​余分​な​スペース​に​は、​シンク​(同期)​信号、​カラー​バースト、​そのほか​アクティブ​ピクチャ​エリア​に​含​まれ​ない​ITS​など​の​フォーマット​特定​情報​が​含​まれ​てい​ます。​全て​の​ライン​の​約​90%​と​各​ライン​の​約​80%​で、​アクティブ​ピクチャ​情報​を​伝送​する​こと​が​でき​ます。​正確​な​値​は、​以下​の​表​の​よう​に​ビデオ​フォーマット​によって​異​なり​ます。

 

ビデオ
フォーマット
ライン/
フレーム
アクティブ
ライン
フレーム​レート
ライン
持続​時間
アクティブ​ライン
持続​時間
NTSC 525 480/486 29.97 frames/​sec 63.55 µs 52.2 µs
PAL/​SECAM 625 576 25.00 frames/​sec 64.00 µs 52.0 µs

 

アクティブ​ライン​は、​実際​に​画像​情報​の​伝送​に​使用​さ​れる​ライン​数​を​表​し​ます。​例えば、​NTSC​では​各​フレーム​の​525​ライン​中​480​ライン​のみ​が​画像​情報​を​伝送​し​てい​ます。​同様​に、​各​ライン​上​で、​画像​情報​は​全​ライン​時間​より​短い​アクティブ​ライン​シーケンス​の​間​のみ​伝送​さ​れ​ます。​例えば、​NTSC​では​63.55μ​秒​の​うち​アクティブ​ライン​時間​は​52.2μ​秒​のみ​です。​フレーム​レート​と​は、​スキャン​速度​の​こと​です。

グレー​スケール​画像​と​抽出​した​ライン​プロファイル

次​の​セクション​の​NTSC​フレーム​スキャン​画像​は、​以下​の​条件​が​満​た​さ​れる​と、​テレビ​画面​に​表示​さ​れる​ビデオ​表示​を​シミュレーション​し​ます。

  • テレビ​が​アクティブ​な​画像​部分​だけ​で​なく​全​ライン​を​表示​可能
  • テレビ​が​2​つ​の​フィールド​を​インター​レース​し​て​完全​な​画像​フレーム​を​形成​する​の​では​なく、​プ​ログ​レ​ッ​シ​ブス​キャン​を​し、​フレーム​全体​を​ライン​ごと​に​表示​し​て​いる

奇数​フィールド​の​垂直​シンク​パターン​を​表す​複数​の​ライン​で、​上​から​下​へ​ライン​ごと​の​スキャン​が​開始​し​ます。​奇数​フィールド​の​垂直​シンク​パターン​の​直後、​オプション​の​挿入​テスト​信号​(ITS)​が​挿入​さ​れ​ます。​最後​に、​実際​の​奇数​フィールド​の​アクティブ​画像​が​表示​さ​れ​ます。

この​プロセス​を​偶数​フィールド​について​も​実行​し、​フレーム​が​完成​し​ます。

 

 注: ほとんど​の​ライン​は​まず​水平​シンク​パルス​で​始まり、​次に​カラー​バースト​パターン​が​き​ます。​次に、​アクティブ​ピクチャ​(または​ITS)​が強度の変化としてが表示され、​この​とき​信号​レベル​の​高い​方​が​明​る​く​な​って​い​ます。

抽出​さ​れ​た​ライン​プロファイル​例​(図​8​および​9​の​下)​は、​偶数​フィールド​から​抽出​した​実際​の​ビデオ​信号​ライン​です。​ビデオ​レベル​に関する​詳細​について​は、​上述​の​「ビデオ​信号​の​成分」​を​参照​し​て​くだ​さい。

水平​シンク​パルス​は​基本​的​に​シンプル​な​負​パルス​なので、​ルミナンス​信号​の​レベル​を​下回り​ます。​ただし、​垂直​シンク​信号​は​パルス列​が​複数​の​ライン​に​分散​さ​れ​て​おり、​パルス列​は​奇数​フィールド​と​偶数​フィールド​で​異​なり​ます。​図​8​および​9​は、​3​種類​の​主要​ビデオ​フォーマット​の​両​フィールド​における​垂直​シンク​パターン​を​示し​てい​ます。

 

図​8.​NTSC​の​垂直​ブラ​ン​キング/​シンク​信号

 

図​9.​PAL​および​SECAM​の​垂直​ブラ​ン​キング/​シンク​信号

 

NTSC​フレーム​の​全​スキャン

図​10​は、​NTSC​フレーム​の​全​525​本​の​ライン​を​全て​スキャン​した​結果​を​表​し​てい​ます。

 

図​10.​完全​な​NTSC​フレーム​スキャン

 

図​10​は、​未処理​の​NTSC​ビデオ​波形​の​強度​を​グラフ​で​表​し​て​いる​ため、​グレー​スケール​画像​と​な​って​い​ます。​色​情報​は​この​波形​に​埋​め​込​まれ​て​おり、​まだ​復号​化​さ​れ​てい​ま​せん。

​左側​に​信号​の​カラー​バースト​が​ある​の​が​わか​り​ます。​この​画像​は​モノクロ​テレビ​で​映​っ​た​もの​を​表​し​て​いる​ので、​カラー​バースト​は​白黒​の​パターン​として​表現​さ​れ​てい​ます。​カラー​バースト​は​(カラー​テレビ​画面​で​表示​さ​れ​た​場合)​単一​の​色​として​表示​さ​れ​ます。