CN101026779A - 亮度与色差信号时间差测试信号及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及亮度与色差信号时间差测试信号及其测量方法，属于音视频信号的检测技术领域。该测试信号为用于显示被测设备的亮度与色差信号时间差的图形，其特征在于，该图形分为四个测量区，其中每个区为亮度余弦信号与色度余弦信号叠加后构成的周期变化的垂直色调条纹和一该色调条纹相对应的时差标尺，该色调条纹的色调变化的波谷或波峰位置相对于标尺零点的偏移量为测量结果；该四个测量区中两个区用来测量(B－Y)信号与Y信号的时间差，另两个区用来测量(R－Y)信号与Y信号的时间差。本发明同时具有Y/C定时信号法和比蝴蝶结波形法的优点，还简化了测量的操作，避免了外接设备造成的影响，提高了测量的正确性。

Description

亮度与色差信号时间差测试信号及其测量方法

技术领域

本发明属于音视频信号的检测技术领域，特别涉及彩色电视系统中亮度与色差信号时间差的测试信号及其测量方法。

背景技术

彩色电视系统中，彩色电视图像的采集和还原依据的是红、绿、蓝三基色原理。三个信号需要三个信号通路，即三个通道。为节省通道的传输能力(带宽、码率)，按特定的规则，将三基色信号转换成代表亮度的Y信号及代表色度的(R-Y)和(B-Y)两个色差信号，虽同样需要三个通道，但给色差通道可分配较小的传输能力就达到传送基色信号同样的图像效果。既然信号分作三个通道传送，无论对整个通道，还是对通道的某一段，即使输入端三个信号是同时到达的，由于各种原因，在输出端三个信号不一定同时离开。亮度和色差信号的不同时性，在反变换的过程中会转移到三基色上，造成再现图像左右色彩镶边。这种劣化，技术上以亮度和色差信号的时间差来量度。为确保再现图像质量，(R-Y)信号对Y信号及(B-Y)信号对Y信号的时间差必须限制在一定的容限之内。

已有的亮度与色度信号时间差的测量方法有补偿法(《彩色电视性能测量原理与方法》，安永成、邱春安等编著，电子工业出版社，1991年5月，p138。)、Y/C定时信号法和彩条信号法(GB/T 17309.1-1998《电视广播接收机测量方法》，6.2.6款)及蝴蝶结波形法(《视频测量技术》，陈善移编著，中国广播电视出版社，1997年3月，p112)等数种。上述各种方法，是针对标准清晰度电视设计的，尚未见有关高清晰度电视(HDTV)亮色时间差测量方法的公开报道。

上述方法中，Y/C定时信号法和蝴蝶结波形法与本发明关系较为密切，说明如下：

Y/C定时信号法：该方法是测试仪器提供一能生成特定图形的电视图像信号，将此信号加到待测电视机的输入端，电视机的屏幕上就会以不同的精确程度再现特定图形，根据再现图形与按设计理想再现图形的细微差别，就能确定待测电视机亮色时间差的大小。该方法设计的理想图形如图1所示，全屏从左至右是上下连贯的8条紫色1、绿色2相间的色条(图中1和2分别以不同灰度示意紫和蓝的不同颜色)，但各色条的中部被黑色基底3上7条脉冲亮线401-407所覆盖。其中亮线404正好与色条分界线上下对齐(位错为0)，其余6条亮线与对应的色条分界线上下基本对齐，但稍有大小不同的位错。将这些位错折算成时间，从左到右构成-300、-200、-100、0、100、200、300(ns)的序列。若待测电视机亮色时间差为0，则屏幕显示的图形将正确再现7条亮线与7个色条分界线的相对位错，即亮线404正好与色条分界线上下对齐，其它亮线与对应的色条分界线都是错开的。如果再现图形与设计的理想图形不一致，例如左数第二条亮线402与色条分界线相重合，而其余不相重合，那么亮度信号比色差信号延迟200ns；又例如右数第一条亮线407相重合，亮度信号比色差信号提前300ns，如此等等。此方法中似乎增加亮线和相间色条的个数可提高测量精度，实际上反倒无法判定哪条亮线与色条分界线上下对齐而无法读数。精度低是此法不可克服的缺点，另一个缺点是不能区分(R-Y)与(B-Y)对Y时间差的各自大小，仅适用于Y/C分离的两通道系统。然而，简单方便，测量结果可由显示图形直接读出是其突出的优点。

蝴蝶结波形法：此测量方法由泰克公司提出，配合它们生产的专用测试设备使用。测试信号也是特殊设计的，Y信号为500kHz的正弦波，同时还插入刻度线对应的信号，R-Y和B-Y为502kHz的正弦波。将此信号加到待测电视机的输入端，待测电视机输出的Y信号和色差信号R-Y(或B-Y)分别接双踪示波器的两路输入端，双踪示波器工作于相减的模式(即显示两种信号的正弦波相减)，正确调整双踪示波器的参数，它将显示如图2所示的波形。该波形呈现一高频交流信号，其振幅从左到右逐渐减小直到0，然后又逐渐增加，整个波形就像蝴蝶的两个翅膀22，该方法也由此而得名。在蝴蝶波形的下方是等间隔的刻度线21。如果待测电视机亮色时间差为0，蝴蝶波形22的0点与刻度21的中央一线对齐，否则0点相对左右偏移。两刻度线的间隔相当于20ns，测量范围为±100ns。由偏移的大小可读出对应的亮色时间差。该方法可连续读数，且可分别测定两个色差信号与Y信号的时间差，测量精度可达10ns。但测量设备价格昂贵，使用不甚方便，且对HDTV不能适用。

上述各种测试信号一般都由特定的电视测试信号发生器产生。

发明内容

本发明为克服已有技术的不足之处，提出一种亮度与色差信号时间差测试信号及其测量方法，采用本发明设计的测试信号，它既具有Y/C定时信号法测量结果可由显示图形直接读出的优点，又具有比蝴蝶结波形法测量精度还高的优点，同时简化了测量的操作，还由于避免了外接设备造成的影响，提高了测量的正确性。

本发明提出的一种亮度与色差信号时间差测试信号，该测试信号为用于显示被测设备的亮度与色差信号时间差的图形，其特征在于，该图形分为四个测量区，其中每个区为亮度余弦信号与色度余弦信号叠加后构成的周期变化的垂直色调条纹和一该色调条纹相对应的时差标尺，该色调条纹的色调变化的波谷或波峰位置相对于标尺零点的偏移量为测量结果；该四个测量区中两个区用来测量(B-Y)信号与Y信号的时间差，另两个区用来测量(R-Y)信号与Y信号的时间差。

所述每一种亮色时间差的两个测试区中，一个为粗测区，另一个为精测区；该粗测区的测量结果用于为精测区选定正确的读数坐标，该测量结果在全量程范围内读数是唯一的；该精测区用于确定最终的测量结果，但在全量程范围内读数对应着多个读数坐标，是非唯一的，通过粗测的结果来选定其中的一个(两个测试区功能相互补充，使得本发明既有宽的量程，又能达到高的精度)。

所述粗测区色差(B-Y)和(B-Y)信号的频率F2为：1～5MHz；Y信号的频率F1为：F1＝(1+1/n)F2，其中n的取值范围为24～50的正整数；量程范围为：±100ns到±1000ns；精测区色差(B-Y)和(B-Y)信号的频率F2为：2～20MHZ；Y信号的频率F1为：F1＝(1+1/n)F2，n的取值范围为40～100；不确定间隔为：50ns～±500ns。

采用如权利要求1所述测试信号进行亮度与色差信号时间差的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，产生测试信号：根据设定的测试图形用计算机生成测试图形的电子位图，将图形的数据存放在电视图像测试信号发生器的电子设备中，或进一步将电子位图数据加工成压缩的TS数据流存放在电视图像测试TS流发生器的电子设备中；

第二步，连接和调整：连接测试信号发生设备和被测设备，并进行调整使所述设备处于正常工作状态；

第三步，测量：如被测设备具有显示单元，则直接根显示的测试信号图形读出测试结果，若被测设备无显示单元，则将被测设备的亮度、色度信号输出连接到亮度、色度信号时间差为0的显示器输入端，根据显示的测试信号图形读出测试结果。

所述第三步测量得到测量结果，分成粗测结果和最终测量结果；所述粗测结果的测量方法为：根据粗测区中显示图形确定条纹色调变化中心位置在坐标尺上对应的读数作为粗测结果；所述最终测量结果的测量方法为：根据粗测结果选定精测区坐标线量程范围，从精测区该坐标尺量程范围中找出条纹的色调变化的中心位置，选定坐标尺上对应的读数作为最终测量结果。

本发明方法具有以下特点：

1)只需要一个测试信号发生器，无需复杂的设备，直接从显示图像上或用一般双踪示波器具即可测得两个色差信号与亮度信号的时间差。

2)采用两段式读数刻度，由粗刻度获取读数范围，由细刻度精确读数，解决了差拍波形的周期性造成读数不确定性的困难，使得本法既有宽的量程，又有高的精度。

3)根据显示的待测设备测试信号图形的效果，它既具有Y/C定时信号法测量结果可由显示图形直接读出的优点，又具有比蝴蝶结波形法测量精度还高的优点，同时简化了测量的操作，还由于避免了外接设备造成的影响，提高了测量的正确性。

4)本发明特别针对1920×1080的高清晰度电视的图像格式设计了亮度与色差信号时间差的测量的测试信号，同时也给出用于1280×720和720×576等其它图像格式测试信号的设计实例。

附图说明

图1为已有的Y/C定时信号法的亮度与色差信号时间差测试图形示意图。

图2为已有的蝴蝶结波形法的测试波形示意图。

图3为本发明用于1920×1080 HDTV亮度与色差信号时间差实施例1的测试图形示意图。

图4为本发明的测试信号原理示意图。

图5为本发明用于720×576 SDTV亮色时间差实施例2的测试图形示意图。

具体实施方式

本发明提出的亮度与色差信号时间差测试信号及其测量方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明以1920×1080的HDTV信号为实施例1，说明测试信号的设计原理和使用方法。

图3是用于1920×1080 HDTV亮色时间差测试信号的图形的一个实施例，图形分成左右上下排列的四个区域的图形31、32、33、和34(也可以是上下排列的四个区域)。图形31和32分别用来粗测和精测(B-Y)与Y的时间差，图形33和34则分别用来粗测和精测分别用来粗测和精测(R-Y)与Y的时间差。HDTV每行正程约25.86μs，左右两区域的图形可各占12μs的宽度(不超过12.9μs)(图3中的31、32、33、34以不同的灰度示意不同的色调。)。

图形32中，亮度信号Y为频率F1＝(1+1/30)*2.5MHz的余弦波，而色度信号(B-Y)为频率F2＝2.5MHz的余弦波，F1-F2＝F2/30，Y和(B-Y)信号组合构成了色调变化的垂直条纹。区域34中，亮度信号Y同样为F1＝(1+1/30)*2.5MHz的余弦波，而色度信号(R-Y)为F2＝2.5MHz的余弦波，Y和(R-Y)信号相组合构成了另种色调变化的垂直条纹。

本发明的色调变化规律的原理说明如下：

由三角函数公式cosx+cosy＝2cos((x-y)/2)cos((x+y)/2)知，当两个频率为f1和f2的声音信号混合时，会产生拍频现象，结果如图4所示，形成幅度时高时低的频率为(f1+f2)/2的声音信号41。声音幅度的变化周期为1/(f1-f2)。色调变化的周期与上例中幅度变化规律相仿，变化周期为差频1/30*2.5＝1/12MHz的倒数，即12μs，12μs之内色调正好变化一个周期。调整好初始相位，色调的波谷(腹)正好在中间位置。

当亮色无时间差时，t1＝t2＝t，色调变化的规律为：

cos(π(F1*t1-F2*t2))＝cos(π(F1-F2)t)＝cos(πF2t/30)    (1)

当t＝T，对应的相位为(F2 T/30)π。                       (2)

当色信号相对亮信号推后d时，即t1＝t，t2＝t-d，此时色调变化的规律为：

cos(π(F1*t1-F2*t2))＝cos(π((F1-F2)t+F2 d))＝cos(πF2(t/30+d))  (3)

当t＝T-30d，(3)式对应的相位又才会与(2)式的结果相同。这就意味着1ns的色信号延迟，会使色调花样推后30ns，相当在时间轴上放大了30倍，为精密读数提供了基础。

这样±6μs的宽度对应于亮色时间差±200ns的量程，而且只要亮色时间差在±200ns之内，可得到唯一的读数。图3中的图形32和图形34下面是坐标轴和读数刻度标尺36。其合理的刻度间隔为20ns，加上色调变化比较缓慢，难于精确判定读数位置，测量精度仅约20ns，但这个粗略的读数却能确切地表达测量结果的范围：是正还是负；大于100还是小于100。

为测得更精确的结果，本实施例设置了上部区域的图形31和33。

图形31中，Y为(1+1/60)*10MHz的余弦波，而(B-Y)为10MHz的余弦波。图形33中，Y同为(1+1/60)*10MHz的余弦波，而(R-Y)为10MHz的余弦波。它们的差频为1/60*10＝1/6MHz，色调变化周期为6μs，且时间轴上放大60倍。±6μs的区间对应于±100ns的时间差，于是刻度间隔降为10ns，同时色调变化变陡，较易精确判定读数位置，经过一致性检验，测量精度可达2到5ns。

在本实施例中，由于色调变化周期为6μs，±6μs的宽度色调变化2个周期，读数就不是唯一的了，那些可能读数的间隔为1/F2＝100ns，此值称不确定间隔。于是在±200ns的量程内，有3种可能的刻度范围：-200、-100、0ns；-100、0、100ns及0、100、200ns。图形31或33下面是坐标轴和3种范围的读数刻度标尺寸35。测量时，由下部图形32或34读取时间差的粗略值，根据此值，选定上部图形31或33的刻度范围，再根据上部图形的偏移，测得时间差的精确值(有些待测设备，输出信号并未在屏幕上显示，例如机顶盒，仅输出亮度和色差的电信号。若测量这些设备的亮色时间差，可取一台已证实亮色时间差为0的显示器，将待测设备输出的亮度和色差电信号接到该显示器的输入端，由显示效果测得的亮色时间差即为待测输出电信号的亮色时间差)。

图3中测试图形下部设置了两个亮条37，它与读数刻度标尺36的0点上下对齐，37用来确定坐标原点的位置，图形34最右下方，有一组“1920×1080”的数字，用来表注适用的电视图像格式。

图5是对应于720×576图像格式的亮色时间差测试信号图形另一个实施例2。此实施例中由于每行的像素不够多，放不下两个图形区，四个图形区可按上下安排(图5的测试图形，以不同的灰度示意不同的色调)。

测试信号的制作，一般是根据测试图形的设计要求先用计算机生成电子位图，将图形的数据存放在称为电视图像信号发生器的电子设备中，例如牡丹MDW 1862型HDTV测试信号发生器和牡丹MDW 1872型DTV测试信号发生器，这些设备将按规定的电视格式连续输出内容为所需图形且亮色时间差为0的亮度和色差信号，此信号加到显示器上，显示图形的效果就反映出显示器中亮度和色度通道从输入到最后显示成像所造成的时间差。有时还需要将多幅连续的测试图形电子位图经过MPEG 2(或其它压缩编码)信源缩编转换成传送(TS)流数据，将这些数据存放在称为TS流信号发生器的电子设备中，例如牡丹MDW 1876 TS流测试信号发生器，该设备会按规定的格式连续输出内容为所需图形且亮色时间差为0的TS流信号，将它加到信源解码器的输入端，信源解码器的输出端接亮色时间差为0的显示器或示波器，则可测量信源解码器的亮色时间差。

上述实施例的测量步骤具体说明如下：

第一步：选择适当的测试信号源设备和规格合适的亮色时间差测试信号；

此步的关键是根据被测对象选用对应的视频、TS流或射频测试信号发生器，并正确选择适用的图像格式。

第二步：设备连接和调整

根据被测对象选择合适的测试信号发生设备，并完成测试系统各设备间的可靠连接，正确调整测试信号设备、被测设备的工作状态；

第三步：观察显示图形的效果，正确读出亮色时间差的测量结果。

此步是测量中最关键的一步。如图3中，先从图形32中判断色调变化中间位置在坐标尺36上对应的读数，例如大约-60。则可确定图形31对应的读数范围为-100到+100。再从图形31的0到-100范围内的色调变化，判断其中间位置在坐标尺35上对应的读数，例如-52，则(B-Y)信号相对Y信号延迟52ns。接着注视图形34，判断色调变化中间位置在坐标36上对应的读数，例如大约140。于是确定图形33对应的读数范围为0到+200。再注视图形33的100到200范围内的色调变化，判断其中间位置在坐标35上对应的读数，例如148，则(R-Y)信号相对Y信号提前148ns。

根据上述的设计原理，还可设计出量程不同、精度不同的1920×1080 HDTV或720×576SDTV图像格式或1280×720 HDTV(美国)的亮色时间差测试信号的图形，也可设计适用于其它电视格式的测试信号的图形。表1列举若干种测试信号的参数：

表1  8种测试信号具体参数的举例

序号	图像格式	可显宽度(μS)	粗测区					精测区					备注
														F2MHz	n(1)	显示宽度(μS)	量程(nS)	粗测时基(nS)(2)	F2MHz	n(1)	显示宽度(μS)	不确定间隔(nS)(3)	精测时基(nS)(2)
			1	1920×1080	2×12.8	2.5	30	12.0	±200	12.9	10	60												12	100	1.64	图3
2	1920×1080	2×12.8											2.5	39	12.48	±160	10.0	12.5	79	12.64	80	1.0
			3	1920×1080	2×12.8	5.0	50	10.0	±100	3.92	20	100												10.0	50	.495
4	720×576	52											1.0	24	48	±1000	40.0	2.0	49	49	500	10
			5	720×576	52	5/4	30	48	±800	25.8	2.5	60												48	400	6.56	图5
6	720×576	52											5/4	39	49.92	±640	20	25/8	69	50.56	320	4.0
			7	1280×720	2×8.5	2.5	20	8.0	±200	19.05	10	40												8	100	2.44
8	1280×720	2×8.5											5.0	39	7.8	±100	5.0	20	79	7.9	50	1.25

表1中所列举的测试信号：F2为色度信号(B-Y)或(R-Y)的频率；FI为亮度信号Y的频率且F1＝(1+1/n)F2；粗(精)测时基＝1/(n+1)/F2；不确定间隔为1/F2。

Claims (5)

1、一种亮度与色差信号时间差测试信号，该测试信号为用于显示被测设备的亮度与色差信号时间差的图形，其特征在于，该图形分为四个测量区，其中每个区为亮度余弦信号与色度余弦信号叠加后构成的周期变化的垂直色调条纹和一该色调条纹相对应的时差标尺，该色调条纹的色调变化的波谷或波峰位置相对于标尺零点的偏移量为测量结果；该四个测量区中两个区用来测量(B-Y)信号与Y信号的时间差，另两个区用来测量(R-Y)信号与Y信号的时间差。

2、如权利要求1所述的测试信号，其特征在于，所述每一种亮色时间差的两个测试区中，一个为粗测区，另一个为精测区；该粗测区的测量结果用于为精测区选定正确的读数坐标，该测量结果在全量程范围内读数是唯一的；该精测区用于确定最终的测量结果，但在全量程范围内读数对应着多个读数坐标，是非唯一的，通过粗测的结果来选定其中的一个。

3、如权利要求2所述的测试信号，其特征在于，所述粗测区色差(B-Y)和(B-Y)信号的频率F2为：1～5MHz；Y信号的频率F1为：F1＝(1+1/n)F2，其中n的取值范围为24～50的正整数；量程范围为：±100ns到±1000ns；精测区色差(B-Y)和(B-Y)信号的频率F2为：2～20MHZ；Y信号的频率F1为：F1＝(1+1/n)F2，n的取值范围为40～100；不确定间隔为：50ns～±500ns。

4、一种采用如权利要求1所述测试信号进行亮度与色差信号时间差的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，产生测试信号：根据设定的测试图形用计算机生成测试图形的电子位图，将图形的数据存放在电视图像测试信号发生器的电子设备中，或进一步将电子位图数据加工成压缩的TS数据流存放在电视图像测试TS流发生器的电子设备中；

第二步，连接和调整：连接测试信号发生设备和被测设备，并进行调整使所述设备处于正常工作状态；

第三步，测量：如被测设备具有显示单元，则直接根显示的测试信号图形读出测试结果，若被测设备无显示单元，则将被测设备的亮度、色度信号输出连接到亮度、色度信号时间差为0的显示器输入端，根据显示的测试信号图形读出测试结果。

5、如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述第三步测量得到测量结果，分成粗测结果和最终测量结果；所述粗测结果的测量方法为：根据粗测区中显示图形确定条纹色调变化中心位置在坐标尺上对应的读数作为粗测结果；所述最终测量结果的测量方法为：根据粗测结果选定精测区坐标线量程范围，从精测区该坐标尺量程范围中找出条纹的色调变化的中心位置，选定坐标尺上对应的读数作为最终测量结果。

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