1. 컴포지트 비디오 신호 이해
컴포지트 비디오 신호는 비디오 신호를 생성하는데 필요한 모든 컴포넌트가 단일 신호에 임베디드된 신호를 의미합니다. 복합 신호를 형성하는 세 가지 주요 컴포넌트는 다음과 같습니다.
- 휘도 신호 (또는 휘도) - 비디오 이미지의 강도 (밝고 어두운 정도) 정보 포함
- 채도 신호 - 비디오의 색상 정보 포함
- 동기화 신호 - TV 화면과 같은 디스플레이된 신호 스캐닝 컨트롤
흑백 복합 신호는 휘도 및 동기화의 두 가지 컴포넌트로 구성됩니다. 본 신호는 일반적으로 Y 신호라고 합니다. (그림 1)
그림 1. 흑백 컴포지트 비디오 신호 (Luma Steps from White to Black)
그림 2는 일반적으로 C 신호라고 하는 채도 신호입니다.
그림 2. 컬러 바 라인 (컬러 버스트 포함)을 위한 색상 정보 신호
CVBS(Color Video, Blank, Syn) 신호라고 하는 그림 3의 복합 색상 비디오 신호는 Y와 C의 합입니다.
CVBS = Y + C
그림 3. 컬러 바 라인에 대한 컬러 컴포지트 비디오 신호
두 개의 컴포넌트 Y와 C는 두 개의 독립 신호로 개별 배포될 수 있습니다. 본 두 개의 신호는 Y/C 또는 S-video라고 합니다.
2. 비디오 신호의 구성
단일 수평 비디오 라인을 위한 신호는 그림 4와 같이 수평 동기화 신호 (HSYNC), 백 포치 (back porch), 활성 픽셀 영역 (active pixel region), 프런트 포치 (front porch)로 구성됩니다.
그림 4. 비디오 신호의 구성
| 수평 동기화 신호 (HSYNC)는 각 새로운 비디오 라인의 시작을 알립니다. 그 후 따라오는 백 포치는 부동 (AC 커플) 비디오 신호로부터 DC 컴포넌트를 제거하기 위한 참조 레벨로 사용됩니다. 이 과정은 흑백 신호를 위해 클램핑 (clamping) 기간 동안 이루어지며 백 포치에서 진행됩니다. 복합 색상 신호의 경우, 클램핑은 HSYNC 펄스 동안에 발생하는데 그 이유는 대부분의 백 포치가 컬러 버스트에 사용되기 때문입니다. 컬러 버스트는 신호의 색상 컨텐츠를 디코딩하기 위한 정보를 제공합니다. Measurement & Automation Explorer 도움말에는 비디오 신호를 위한 모든 고급 설정 파라미터에 대한 자세한 설명이 있습니다. 색상 정보는 흑백 비디오 신호와 함께 포함됩니다. 복합 색상 신호는 표준 흑백 신호 (RS-170 또는 CCIR)와 추가된 다음의 컴포넌트로 구성됩니다.
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비디오 신호의 또 다른 측면은 수직 동기 (VSYNC) 펄스입니다. VSYNC는 필드 사이에 일어나는 일련의 펄스로써 수직 리트레이스(retrace)를 수행하고 다음 필드 스캔을 준비하기 위해 모니터에 신호를 보냅니다. 활성화 비디오 정보를 보유하지 않은 각 필드간 여러 라인이 있습니다. 일부는 HSYNC 펄스만을 포함하고 있으며, 다른 일부는 등화 및 VSYNC 펄스를 포함하고 있습니다. 본 펄스는 방송 텔레비전 초창기에 정의되었으며, 비록 최신의 하드웨어 기술로 인해 몇몇 추가 펄스가 필요없게 되었지만 초창기 이래로 표준의 일부로 여겨져왔습니다. 그림 5는 복합 RS-170 인터레이스 신호이며 수직 동기 펄스를 포함합니다. 간단한 설명을 위해 6 라인 프레임이 그림에 나타나있습니다.
그림 5. VSYNC 펄스
아날로그 카메라에서 획득한 이미지의 수평 크기 (픽셀)는 프레임 그래버가 각 수평 비디오 라인에서 샘플링하는 속도에 의해 결정된다는 것을 반드시 인지해야 합니다. 본 속도는 수직 라인 속도 및 카메라의 아키텍처에 의해 결정됩니다. 카메라의 CCD 어레이의 구조는 각 픽셀의 크기를 결정합니다. 이미지 왜곡을 피하기 위해 수평 활성 비디오 영역을 정확한 픽셀 개수로 나누는 속도로 수평 방향에서 샘플링해야 합니다. 다음은 RS-170 표준 숫자를 나타내는 예입니다.
관심 파라미터
- 프레임당 라인 수: 525 (디스플레이를 위한 485 라인, 나머지는 두 개 필드 각각을 위한 VSYNC 라인)
- 라인 주파수: 15.734 kHz
- 라인 기간: 63.556 마이크로초
- 활성 수평 기간: 52.66 마이크로초
- 라인당 활성 픽셀 수: 640
이제 몇 가지 계산법을 보겠습니다.
- 픽셀 클럭 (PCLK) 주파수 (각 픽셀이 프레임 그래버에 도착하는 주파수):
640 pixels/line / 52.66 e-6 sec/line = 12.15 e6 pixels/sec (12.15 MHz) - 활성 비디오의 총 라인 길이 픽셀 + 타이밍 정보 (HCOUNT라고 함):
63.556 e-6 sec * 12.15 e6 pixels/sec = 772 pixels/line - 프레임 속도: 15.734 e3 lines/sec / 525 lines/frame = 30 frames/sec
3. 여러 비디오 형식
다음 표는 일반적으로 사용되는 표준 아날로그 비디오 형태의 일부 특징을 설명합니다.
NTSC: National Television Standards Committee
PAL: Phase Alteration Line
SECAM: Systeme Electronic Pour Coleur Avec Memoire
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4. 컬러 코딩
모든 PAL 및 NTSC 포맷의 경우, 코딩은 직교 진폭 변조 (QAM) 개념에 기반합니다. 즉 2-컬러 컴포넌트는 직교로 변조되고 결합된 진폭입니다. 변조는 반드시 디코딩되어야 합니다. 색상 정보 디코딩에 필요한 절대 위상을 추적하기 위해서 컬러 버스트라고 하는 참조 신호는 수평 동기 펄스 직후의 각 라인의 첫 부분에 삽입될 수 있습니다. (상기 그림 3, 4 참조)
SECAM 포맷의 경우, 2-컬러 컴포넌트는 두 개의 서브캐리어 주파수를 사용하여 주파수 변조되고 비디오 라인에 순차적으로 분배됩니다. SECAM 형식은 컬러 버스트 신호가 필요하지 않습니다.
5. 비디오 레벨
비디오 레벨은 비디오 신호의 각 다른 부분에 대한 레벨과 범위를 지정합니다. 비디오 레벨을 정의하는데 사용되는 유닛은 IRE (Institute of Radio Engineers)입니다. 귀선소거 레벨은 0 IRE을 의미하며 화이트 레벨은 +100 IRE를 의미합니다. 비디오 신호에 대한 참조 레벨인 (보통 0 V) 귀선소거 레벨은 설정이 그림 6과 같이 신호에 적용되었다면 블랙 레벨과 다릅니다.
그림 6. 비디오 레벨
NTSC의 경우 7.5 IRE 셋업이 적용되어 블랙 레벨이 +7.5 IRE가 됩니다. PAL 및 SECAM의 경우 블랙 레벨은 0 IRE에서의 귀선소거 레벨로 조정됩니다.
다음 표는 비디오 포맷에 따른 각기 다른 비디오 레벨을 나타냅니다.
비디오 포맷 | 싱크 레벨 | 귀선 소거 레벨 | 블랙 레벨 | 화이트 레벨 | 피크 레벨 | 버스트 진폭 |
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 | 해당사항 없음 |
아날로그 컴포지트 비디오 신호는 75 Ω 출력 임피던스의 전압 소스로 정의됩니다. sync-to-white 레벨은 75 Ω 저항으로 로드될 때 보통 1 Vpk-pk입니다. 따라서 로드되지 않은 신호는 보통 2 Vpk-pk입니다.
6. 비월주사 방식 (Interlaced scanning) 개념
모든 컴포지트 비디오 시스템은 비월주사 방식을 사용하여 TV 화면에서 비디오 이미지를 디스플레이합니다. 그림 7은 비월주사 방식입니다.
그림 7. TV 화면의 비월주사 방식
아날로그 비디오 신호에는 좌측에서 우측으로 라인별로 스캐닝을 제어하는 동기화 펄스 및 상단에서 하단으로 필드별로 스캐닝하는 펄스가 포함됩니다. 라인별 스캐닝을 제어하는 펄스는 수평 동기 펄스 (H-Sync)라고 합니다. 수직 스캐닝을 제어하는 펄스는 수직 동기 펄스 (V-Sync)라고 합니다.
두 개의 인터레이스 필드는 완벽한 프레임으로 구성됩니다. 홀수 필드라고 하는 첫 번째 필드는 비디오 이미지의 홀수 라인을 스캔합니다. 짝수 필드라고 하는 두 번째 필드는 비디오 이미지의 짝수 라인을 스캔합니다. 프로세스는 각 프레임당 반복됩니다.
다음을 참조하십시오.
인터레이스 이미지를 수집할 때 홀수, 짝수 중 어떤 필드가 먼저 수집됩니까?
인터레이스 비디오 신호에서 짝수 및 홀수 필드는 어떻게 차별화됩니까?
7. 활성 이미지
스캐닝의 결과인 활성 비디오 이미지는 항상 비디오 포맷과 독립적인 4/3의 종횡비 (수평/수직)를 가집니다. 색상 컴포지트 비디오 신호는 스캐닝 과정이 각 라인의 좌/우측 뿐 아니라 활성 비디오 이미지 영역의 최상 및 최하단에 일부 추가 공간을 요구한다는 것을 보여줍니다. 본 추가 공간은 동기화 신호, 컬러 버스트, 기타 포맷 특정 정보 (ITS 등)를 포함하며 이는 활성 비디오 이미지의 부분이 아닙니다. 모든 라인의 약 90%와 각 라인의 80%는 활성 이미지 정보를 전달합니다. 정확한 값은 다음 표에서 보듯이 비디오 포맷에 따라 달라집니다.
비디오 포맷 | 라인/프레임 | 활성 라인 | 프레임 속도 | 라인 기간 | 활성 라인 기간 |
| 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 |
활성 라인은 이미지 정보를 전송하는데 실제로 사용되는 라인 개수입니다. 예를 들어, 프레임당 525 라인 중 단 480 라인만이 NTSC에 이미지 정보를 전송합니다. 마찬가지로, 각 라인에서 이미지 정보는 활성 라인 시퀀스 동안에만 전송됩니다. 이는 전체 라인 기간보다 짧습니다. 예를 들어, 63.55 µs 중 단 52.2 µs만이 NTSC에서 활성 라인 기간입니다. 프레임 속도는 스캐닝 속도입니다.
8. 그레이 스케일 이미지 및 추출된 라인 프로파일
다음 섹션의 완성된 NTSC 프레임 스캔 이미지는 다음 조건이 만족될 경우 텔레비전 화면에 나타나는 비디오 디스플레이를 구동합니다.
- 텔레비전이 활성 이미지 부분 대신 전체 라인을 보여줌
- 텔레비전은 완성 이미지 프레임을 형성하기 위해 두 개 필드를 인터레이스하지 않으며 그 대신 전체 프레임의 라인별 프로그레시브 스캐닝을 디스플레이함
스캐닝 속도 (상단에서 하단으로 라인별)는 홀수 필드를 위한 수직 동기 패턴을 표현하는 라인 개수로 시작됩니다. 홀수 필드를 위한 수직 동기 패턴 직후에 선택적인 ITS (insertion test signals)가 삽입됩니다. 마지막으로 실제 홀수 필드 활성 이미지가 디스플레이됩니다.
프로세스는 짝수 필드에 대해 반복되어 완벽한 프레임을 형성합니다.
 | 참고 대부분의 라인은 컬러 버스트 패턴 이후에 수평 동기 펄스로 시작됩니다. 그 후, 강도가 변경되면서 활성 이미지 (또는 ITS)가 디스플레이됩니다. 신호 레벨이 높으면 더욱 밝은 값입니다. |
그림 8와 9 하단의 추출된 라인 프로파일 예제는 짝수 필드에서 추출된 실제 비디오 신호 라인입니다. 비디오 레벨에 대한 더욱 자세한 정보는 앞서 언급된 비디오 신호를 참조하십시오.
수평 동기 펄스는 기본적으로 단순 네거티브 펄스 즉 휘도 신호 레벨 이하입니다. 그러나 수직 동기 신호는 여러 라인에 분배된 펄스 트레인으로 구성되어 있으며 펄스 트레인은 홀수 및 짝수 필드에서는 다릅니다. 그림 8 및 9는 두 필드 및 세 개의 주요 비디오 포맷에 대한 수직 동기 패턴을 나타냅니다.
그림 10은 완성 NTSC 프레임을 구성하는 모든 525 라인 스캐닝 결과입니다.
그림 10. 완성 NTSC 프레임 스캔
그림 10은 원시 NTSC 비디오 웨이브폼의 강도 그래프를 표현하므로 그레이 스케일 이미지입니다. 색 정보는 본 웨이브폼에 임베드되어 있으며 디코딩되지 않았습니다.
좌측에서 신호의 컬러 버스트를 볼 수 있습니다. 점선은 컬러 버스트 웨이브폼인 사인 톤의 강도 그래프를 나타냅니다. 디코딩 이후 컬러 버스트는 (TV 모니터에서 가시적일 경우) 실선으로 나타납니다.
10. 관련 NI 제품
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- 함수, 임의, RF 신호 생성기
- 고속 디지타이저/오실로스코프
- 기타 모듈형 계측기 (디지털 멀티미터, 스위칭 등)
- LabVIEW 그래픽 기반 프로그래밍 환경
- SignalExpress 인터랙티브 소프트웨어 환경
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