DIGITALIZADOR DE VIDEO

UNIVERSIDADAUTONOMAMETROPOLITANA
REPORTE DE PROYECTO TERMINAL
DIGITALIZADOR DE VIDEO
ASESOR:
M en I.B.VICTOR HUGO TELLEZ ARRIETA
INTEGRANTES
ALBERTINA GONZALEZ MARQUEZ
OSCAR HERNANDEZ FIGUEROA
MAYO 1996
sicos
CONTENIDO
1 Introducción
2
2 Conceptos
2.1 Relación entre líneas. campo y cuadros . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Señal de
video compuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Sincronización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Propiedades de la imagen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
4
5
7
7
3 Fase Digital
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
IntroducciGn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generador de pulsos de reloj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Control principal de la tarjeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generador
de
Direcciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Convertidor analógico digital (MC10319) . . . . . . . . . . . . .
.
9
9
9
10
11
12
12
4 Conclusiones y resultados
15
4.1 Operación básica de CRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.1.1 Requerimientos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.2 Como trabaja el sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5 Glosario
19
6 Apéndice
6.1 Sistemas de televisión empleadosenelmundo
20
1
. . . . . . . . . . .
20
1. INTRODUCCI~N
El término "Digitalizador" se asocia a la transformación quesufreunaimagen
analógica a una representación binaria (secuencia deunos y ceros) información
que es útil para ser procesada por una PC, y llegar al objetivo principal desplegar la imagenen una pantalla. Físicamente representa un dispositivo diseñado
como periférico para una PC, y mientras más económico sea su construcción y
mantenimiento más atractivo es.
Este proceso involucravarios conceptos quesonde
importancia: velocidad,
niveles de gris, campos, mismos que serán desarrollados a su debido tiempo.
La digitalización gusta de rastrear un campo (non o par) secuencial, y puede
tratar solo con objetos estacionarios para realizar el proceso de rastreo e impresibn
de la imagenen lapantalla.Otrofactor
a considerarescomo
representar la
intensidad de cada pixel.
La reducciGnde costos consiste en encontrar el mínimo desplieguedevideo
con una buena resolución y así digitalizar cada elemento en blanco y negro. Con
lo anterior se considera la escala de grises como una variable, de la cual dependen
otros factores.
El desarrollo del siguiente reporte de proyecto se basa en imágenes obtenidas
de la señal de video compuesto, con 256 niveles de gris, rastreando el campo non
(odd) y 256 pixeles por línea.
El capítulo I1 esta dedicado a los conceptos introductorios acerca de la señal
de video compuesta y todo con lo que se relaciona (principios de televisión).
El capítulo I11 se explican cada una de las fases de la parte analógica: descomposición de la señal devideo compuesta, filtrado, conversión analógica digital,
líneas de control.
El capítulo IV de detallan los conceptos digitales: transmisión paralela, conteo
de pixeles y renglones, uso de las líneas de control, despliegue de la imagen.
Y por último el capítulo V recapitula los resultados, observaciones y conclusiones obtenidas del presente trabajo.
2
2 . CONCEPTOS
BÁSICOS
Para poder construir una imagen de televisión [grob75], se lleva a cabo un proceso
que consiste endos partes: una exploraci6n continua enlossentidos horizontal
y vertical (figura 2.1) y la segunda reensamblar las líneas y cuadros que forman
la imagen con un factor de tiempo el cual es importante para la reconstrucción
de la imagen. Es por estos factores que la imagende televisión aparece como
y concuadrosquese
estructura de linea desgarrada ensegmentosdiagonales
deslazan subiendo o bajando.
En la figura2.1 se observa la secuencia de exploración de loselementos de
imagen que consiste en lo siguiente:
o
El haz electrónico inicia su recorrido en sentido transversal en la esquina
superior izquierda barriendo en línea horizontal y cubriendo todos los elementos de imagende esa línea. AI final de cada línea el hazvuelvemuy
rápidamente al lado izquierdo para comenzar la exploración de la siguiente
línea horizontal consecutiva inferior. Este tiempo de retorno esloque se
llama retraza o retorno.
o
Durante el retorno no es explorada ninguna información de imagen, a causa
de que el tubo de cámara y el tubo de imagen estan inhibidos durante
este período. Por consiguiente, los retornos deben ser muy rápidos, ya que
representan tiempos no útiles y que pueden llegar a alterar la información
de la imagen.
2.1. Relación entre líneas, campo y cuadros
Para que una imagen tenga buena resoluci6n es necesario que el número de líneas
sea grande, para evitar los problemas de compatibilidad sea estandarizado a 525
líneas para una imagen completa o cuadro.
Un cuadro esta formado por dos campos cada uno con 256 1/2 líneas. Por
lo tanto se considera el campo de líneas nones (odd) y el campo de líneas pares
3
Inicio del
1 er. campo
o
Inicio del? campo
-" " " _
I
"_""
""- " " _
"_
"-""
""_.
-------"
Retraza o retorno
" "_
" "_
""""""""
4
"
"
"
"
"
"
"
Fin del 1er. campo
+
Fin del
2 O campo
Figura 2.1: Representación en pantalla de la señal de video compuesta
(even), ver figura 2.1.
El barrido vertical se efectúa al ritmo de 30 Hz para la frecuencia de trama
de 30 cuadros por segundo. Es decir son exploradas 525 líneas (cuadro completo)
en 1/30 seg. Este factor de tiempo hace posible la continuidad necesaria de
movimiento. Sin embargo persiste en menor grado el problema de parpadeo con
los altos niveles de iluminaci6n en la pantalla. La eliminación de dicho parpadeo
es usando el modelo entrelazado: cada cuadrosedivideendos
partes, demodo
quese presentan 60 vistas de la escena durante cada segundo. La velocidad de
repetición de los campos es 60 por segundo, ya que durante un período de cuadro
de 1/30 son explorados dos campos. De esta manera aparecen 60 vistas de la
imagen durante un segundo.
2.2. Señal de video compuesta
Al decir compuesta se entiende que la señal de video incluye diversas partes. Estas
son:
(1) la señal de cámara correspondiente a la información de imagen deseada
4
Amplitud
Amplitud
,mplitud
Impulso de
sincronismo
Impulso
de borrado
n
Sefial
de cámara
n/vvvuL
Tiempo
w
I
I
Tiempo
Figura 2.2: Componentes de la señal de video compuesta
(2) impulsos de sincronización para sincronizar la exploración del transmisor y
la del receptor
(3) impulsos de borrado para que los retornos no sean visibles.
La figura 2.2 ilustra como se suman estas tres componentes para producir la
señal de video compuesta. la señal de cámara en (a) es combinada con el impulso
de borrado en (b) , y luego se superponeel impulso de sincronismo sobre el pedestal
del impulsode borrado para producir la señal video compuesta en (c). El resultado
es una señal de video compuesta para una línea de exploración horizontal. Para
el color, se incluyen la señal de crominancia de 3.58 Mhz y el burst (impulso de
sincronismo de color). La video compuesta contiene la información necesaria para
repoducir la imagen completa.
2.2.1. Sincronización
Como se describió anteriormente hay dos barridos: horizontal y vertical, cada uno
tiene un movimiento a diferente frecuencia, aunque hay una relación estrecha entre
ellas (figura 2.3), para la exploración vertical cada campo tiene una frecuencia de
60 Hz, como el tiempo que corresponde a un campo es 1/60 seg, y cada campo
contiene 262 1/2 lineas, el número de h e a s por segundo es:
5
I
I
I
I
I
-+
Tiempo
I
I
I
I
Figura 2.3: Efecto de la sincronización
262 1/2*60
= 15750
HZ
Este resultado esun factor esencial tomado en cuenta para la digitalización,
haciendo los cálculos de tiempo para una sola línea tenemos 63.5 mseg (figura
2.3), asegurando que el muestreo de la señal es suficiente con 4 Mhz. A su vez
esta frecuencia tiene que ver con la sincronización es decir el haz explora la pantalla en el receptor, el barrido debe de estar exactamente temporizado para que
ensamble la información de imagen en la posición correcta (figura 2.3). Para que
se correspondan exactamente la exploración del transmisor y del receptor, deber
ser transmitidas con la información de imagen. Estas señales temporizadoras son
impulsos rectangulares utilizados para controlar la exploración en el transmisor y
en el receptor respectivamente. Los impulsos sincronizados son transmitidos como
parte de la señal de imagen completa para el receptor, pero ocurren durante el
tiempo de borrado (figura2.5), la imagen queda obscurecida durante este período
retrocediendo el haz. Un impulso sincronizado horizontal al final de cada linea inicia el tiempo de retorno horizontal y un impulso sincronizado vertical al finalizar
cada campo inicia el tiempo de retorno vertical. En consecuencia la exploracih
6
Hendidura
Tiempo
Figura 2.4: Señal de video compuesta a detalle
o barrido en el receptor y transmisor quedan sincronizadas.
2.3. Color
Entre una señal deimagendeb/n
y una de color la diferencia es la señal de
crominancia de 3.58 Mhz, y se da con los 3 colores primarios (rojo, verde y azul),
los cuales combinados dan origen a los modos correspondiente al brillo y al color
estas señales son las siguientes:
Señal de luminancia la cual contiene solo variaciones de brillo de la información de imagen, incluyendo detalles finos, lo mismo que una señal b/n. Esta
señal se utiliza para reproducir la imagen en blanco y negro. Se denomina generalmente Y.
Señal de crominancia la cual contiene la información de color. Esta señal
es transmitida como modulación en una subportadora de 3.58 Mhz.
Para los propósitos de este proyecto nose utiliza la frecuencia de 3.58 Mhz
para evitar la interferencia con la imagen b/n.
2.3.1. Propiedades de la imagen
Brillo o luminosidad es la intensidad global o mediade iluminación, la cual
determina el nivel de fondo en la imagen reproducida.
Contraste significa diferencia de intensidad entras las partes negras y blancas de
la imagen reproducida, a diferencia de brillo que significa intensidad media.
7
--- -
- - - - - - - - - Impulsos de sincronizaciónque se
afiaden sobre los impulsos de borrado
-
-
-
vertical
borrado
(sin información de imagen)
Información Imoulsos de borrado horizontal
(sin formaci6nde imagen)
de imagen
Figura 2.5: Señal de video con pulsos de
- -
--
-
-
"_
Nivel de
borrado
Tiempo
borrado
Detalle conocido también como definición depende de el número de elementos
de imagen que pueden ser reproducidos.
8
3. FASEDIGITAL
3. l. Introducción
Esta parte se dedica al control de la captura de la imagen, almacena los datos
provenientesdel convertidor en una memoria temporal, provee el estado actual
de la tarjeta al usuario, y comunicacon el exterior. Se divideen 5 subsistemas
interactivos:
o
Generador depulsosde reloj
o
Control principal de la tarjeta
o
Generador de direcciones
o
Memoria
o
ADC
3.2. Generador de pulsos de reloj.
El reloj se constuyó conun cristal y una compuerta NAND (figura 3.1) , esta
última es de gran importacia por que habilita al reloj por un FF que a su vez
esta siendo disparado por el burst proveniente de la señal compuesta de video y
se reestablece por los contadores cuando se llega a la cuenta de lOOH (256), esto
es con el fin de que cada vez de que se termine de muestrar una línea (256 veces),
el reloj se detiene y no vulve a ser habilitado sino hasta la línea siguente, es decir
cuando el burst dispara nuevamente al FF.
El cristal genera una frecuencia de 31.684 Mhz, luego se pasa por una compuerta 7476 que divide a la mitad la frecuencia (15.842 Mhz), a continuación pasa
por otra 7476 que entrega una frecuencia de 7.921 Mhz, por último pasa por otra
7476 resultando una frecuencia de 3.960 Mhz.
9
Figura 3.1: Oscilador con divisor de frecuencias
3.3. Control principal de la tarjeta.
Se componededos FF 7474 y dos compuertas NAND 7400. La salida del reloj
llega a las compuertas NAND que funcionan como habilitadoras del reloj para el
sistema, es decir el reloj no esta conectado directamente a los subsistemas que
requierendelpulso de reloj, estas compuertas tienen la función de dejar pasar
la señal de reloj dadas ciertas condiciones, como se puede ver en el diagrama la
primera compuerta NAND toma sus entradas del reloj y del FF de terminación de
digitalización. El FF de control de digitalización es disparo por señales de control,
el programador es responsable tanto de generar el pulso de disparo, como el de
reloj para el FF, cabe mencionar que el diseño mejoraría si se desaparece este FF,
y a través del software se da el inicio de digitalización, solo se tendría que pasar la
señal de disparo del FF de control a la entrada de disparo del FF de terminacihn
de digitalizacih.
El reestablecimiento de estos FF lo realiza el último contador cuando se alcanza
la cuenta máxima, la digitalización esta lista y la memoria llena. Suponiendo que
el FF de control esta habilitado; el FF de terminación será activado (lógica positiva) cuando la señal par/impar presenta un flanco de subida. La función de los FF
es de habilitar la primera compuerta NAND cuando la señal par/impar sea impar,
asegurando así la digitalización deunsolo campo. La salida de ésta compuerta
va directamente a la entrada del reloj del convertidor y al pin de escritura de las
memorias, de esta manera ambos estan activas cuando se presenta un barrido de
campo. La segunda compuerta toma su entrada de la primera compuerta y de la
señal proveniente del byte de control, así que aunque la primera compuerta este
habilitando al convertidor y a las memorias, los contadores no empezaran a contar
hasta que la entrada de control que habilita la segunda compuerta sea puesta en
alto, además una vez terminada la digitalización es a través de este FF que se
10
Figura 3.2: Disposición de los 4 contadores con el FF de control, y las memorias
generan los pulsos de reloj para los contadores, es decir esta segunda compuerta
cumple con dos funciones: inicializar los contadores y generar el pulso de reloj de
estos mismos.
Finalmente de esta etapa se obtienen tres señales de control para el sistema,
dos para el FF de control y otra para el reloj de los contadores pudiendose mejorar
el diseño y solo utilizar dos de estas tres señales.
3.4. Generador de Direcciones
Los contadores (figura 3.2) estan configurados para contar desde OOOOH hasta
FFFFH (65536 eventos) . La entrada de reestablecimiento de los contadores esta
conectada a la última señal de control que pone la dirección de inicio de la di@talización(OOOOH), por lo tanto su función principal es de generar las direcciones
a memoria.
11
Figura 3.3: Disposición de las memorias
3.5. Memoria
El bus de direcciones de las memorias esta conectado a los contadores, utilizando
el pin 20 chip enable, y un negador para generar la última línea de direccih ver
figura 3.3. El pin 22 output enable esta conectado a la salida del FF de control, así
cuando el sistema estadigitalizando; las memorias estarán habilitadas para recibir
los datos provenientesdel ADC,y cuandose acaba de digitalizar las memorias
estarán listas para ser leídas.
3.6. Convertidor analógico digital (MC10319)
Se utilizó un convertidor tipo flash por sus características:
Dentro del circuito (figura 3.4)se observaque esta habilitado por la salida
deloddde esta manera el convertidor esta activado al momento de llevarse la
digitalización, cuando el FF de control cambia al flanco de bajada el convertidor
se pone en estado de espera permitiendo así la lectura de las memorias sin que
haya contingencia en el bus.
12
Figura 3.4: ADC con sus conexiones respectivas
Figura 3.5: Regulador de voltaje
13
LM317
Figura 3.6: Convertidor analógico-digital tipo flash
Para determinar los rangos de voltaje de entrada a ser digitalizados se limita
al convertidor entre O y 2 volts parala señal a ser muestreada. Se utilizó el
LM317 (figura 3.5), regulador ajustable, para nuestro caso particular fijado a 2
volts (VRT),y la otra referencia directamente a tierra (VRB).
Los puertos de salida tanto de datos como el de señales de estado del sistema
son mapeados a través de lógica combinacional y habilitados por medio de buffers
de tres estados.
14
Y RESULTADOS
4. CONCLUSIONES
Cuando una imágenes digitalizada las aplicaciones quese le pueden dar estan
limitadas solopor la imaginación, por mencionar algunos ejemplos: fotografías
electrónicas, inspección automática en sistemas de control (seguridad), patrones
de reconocimiento, procesamiento de imágenes, etc.
El proyecto desarrollado esun sistema periférico a una P C , a continuación
se dan los detalles más sobresalientes a considerar en la digitalización devideo
(figura 4.2).
4.1. Operación básica de CRT
Actualmente existen varias tecnologías usadas para desplegar números, letras y
gráficos enuna PC. El tipo más común es el tubo de rayos catódicos (CRT) y
despliegues de cristal líquido (LCD).
ElCRT es un tubo devacíoenforma
de botella. Contiene un cañón de
electrones en la parte posterior del tubo, el cual produce un rayo de electrones,
que viaja hacia el frente del tubo.
El interior de la superficie frontal del tubo esta revestida con una substancia
fosforecente queda el efecto de encendido cuando inciden los electrones en ella. El
color de la luz esta dado por un fosforecente particular.
El método más común para producir imágenes en la pantalla de CRT es barriendocon un rayo de electrones cruzando la pantalla. Cuando el rayo alcanza
el lado derecho de la pantalla este regresa rápidamente por laparte posterior
izquierda de la pantalla e inicia nuevamente. El rayo es lentamente barrido desde
el inicio de la pantalla hasta el fin de ésta; como el rayo esta barriendo horizontalmente de atrás hacia adelante, la pantalla completa aparece iluminada. Cuando
el rayo alcanza el finde lapantallaéste se blanquea y rápidamente retrocede
al inicio. El despliegueproducidoen este camino es referido como raster. Para
reproducir una imagen se necesita regresar el rayodel electrón apagado y este
barre y cruza la pantalla. La artimaña aquí es obtener la intensidad del rayo o
15
Figura 4.1: Interface hacia la PC
Figura 4.2: Diagrama a bloquesdel sistema
16
información de video sincronizada en el barrido vertical y horizontal, y así se obtiene un despliegue estable. La TV en blanco y negro en nuestro país (ver anexo)
utiliza un barrido de frecuencia horizontal de 15750 Hz y vertical de 60 Hz.
El barrido desde el inicio hasta elfinde la pantalla se llama campo. Para
obtener una mejor imagen con mayor resolución y evitar el parpadeo, la TV usa
un rastreo entrelazado.
Los dos campos son requeridos para hacer una imagen o cuadro.
El rayo barre 262.5 veces horizontalmente por cada barrido vertical.
Para el rastreo no entrelazado, el barrido horizontal esde 15600 Hz, y un
barrido vertical de 60 Hz, dando 260 barridos (líneas/campo).
Los circuitos requeridos para manejar un CRT son los siguientes:
o
Oscilador vertical
o
Oscilador horizontal
o
Amplificador de video (control de la intensidad del rayo).
Un ciruito básico de CRT monócromatico requiere un despliegue con 3 señales
de entrada para operar, y estas son:
-
-
Pulsos de sincronía horizontal, para tener la sincronizaciGn del oscilador
horizontal.
Pulsos de sincronía vertical, que guarda la sincronización del oscilador
vertical
- Información de video para cada punto en que el rayo cruza la pantalla
Lo anterior es usualmente combinado y denominadovideo compuesta. Su
tratamiento se basó en el LM1881.
4.1.1. Requerimientos del sistema
La imagen a capturar con la tarjeta desarrollada acepta cualquier especificación
RS-170 de la señal de video, esto quiere decir que la fuente puede ser una video
cámara, videograbadora a color o blanco y negro.
17
4.1.2. Como trabaja el sistema
La señal tiene dos caminos obligatorios, elprimeroes
una etapa de filtrado
(primera y segunda amplificación, referido anteriormente), y esta señal es la que
pasa directamente al convertidor, conlosrequerimientos necesarios (un voltaje
máximo de 2 Vpp, disminuidaen distorsión y ruido, y filtrada a 3.5 Mhz para
eliminar la señal de color); la segunda descompone directamente la señal un pulsos
de sincronismo par/impar, señal de burst, su importancia radica en la dependencia de dichas señales para temporizar a los contadores, ya sea para contar pixeles
o renglones, y/o para direccionar la memoria.
Los 4 contadores se distribuyen de la siguiente manera:
o
0
Los dosprimeros cuentan lospixeles (ver figura de los contadores) por
renglón, se trata de circuitos 74LS193 [tt192, tt1921 por lo tanto puede contar hasta 255 pixeles/línea. Tomando en cuenta que el tiempo que tarda en
recorrer una línea esde 63.5 pseg,y con una frecuencia de muestre0 de 4
Mhz se obtiene una matriz de 255x255, en el caso de nuestro sistema contamos con una frecuencia de reloj de 3.9603 Mhz (proveniente de un oscilador
de 31.684 Mhz dividido por 4 FF posteriores), porlo tanto tenemos una
pérdida, ya que nuestra matriz es de 255x251.
En el número de renglones del modo entrelazo se tienen 262 1/2 líneas, pero
contamos con solo 2 contadores con 255 renglones/cuadro, la pérdida es un
poco más significativa que los renglones.
18
5 . GLOSARIO
Borrado: oscurecimiento o enegrecimiento cuando no se transmite información
de imagen durante el período de retrazo.
Campo: grupo de líneas pares o impares.
Cuadro: imagen completa formada por dos campos.
Imagen: es una ordenación de muchas áreas pequeñas obscuras y luminosas.
Parpadeo:es una fluctuación deluz perceptible cuando una pantalla se ilumina y obscurece alternadamente, y es mayor cuando en el caso de altos niveles
de iluminación.
Transmisión negativa: las amplitudes bajas representan partes blancas, las
amplitudes altas a las más obscuras.
6 APÉNDICE
6. l. Sistemas de televisión empleados en el mundo
varios
525
líneas por cuadro
30
Cuadros por seg.
Frecuencia de campo (Hz) 60
Frecuencia de línea (Hz)
15.750
4.2
Ancho de banda de video
Modulación de video
neg
NTSC
Sistema de color
Subportadora color (MHz) 3.58
Europa
625
25
50
15.625
566
neg
PAL
4.43
Inglaterra
625
25
50
15.625
5.5
neg
PAL
4.43
Francia ex URSS
625
625
25
25
50
50
15.625
15.625
6
6
neg
POS
SECAM SECAM
4.43
4.43
1
La frecuencia de campo de 50 Hz. se emplea para exploración vertical, donde
la frecuencia de la línea de distribución de energía de c.a. es de 50 Hz. En todos
los casos se utiliza una exploración entrelazada de líneas impares con dos campos
por cuadro, una relación de aspecto de 4:3 y modulacih de amplitud parala
portadora de imagen multiplexada con la subportadora de color.
'varios=USA, México, Jápon, América del Sur.
20
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