Video出力の研究
SimさんのサイトでNTSC用の抵抗値について研究されていたのを思い出し、自分でもやってみようと思いました。
NTSC信号は１VPPの信号で同期信号（SYNC）と映像信号が合成（コンポジット）された信号です。本来は同期信号のパルスの立ち上がり、立下り時間の細かいタイミングがRS170という規格で規定されています。今回はマイコンでやるので、０か１という簡易な同期信号を作成します。以下に電圧レベルを示します。
●NTSCの電圧レベル
SYNC -40IRE（-0.286V） （IREとは0.714Vを100とするレベル単位）
映像黒 0IRE(0V)
映像白１００％ 100IRE(0.714V)
実際はACカップリングされるので、テレビ側でクランプというSYNCレベルを固定する作業をして、DCとしてA／D変換します。
マイコンではACカップリングしないで、DCレベルとしてNTSCを出力します。
●マイコンでのVideo信号の電圧レベル
SYNC（同期信号） ０V（GND）
映像黒またはSYNCのOFF 約０．３V
映像白１００％ 約１．０V
NTSCのカラー色を出すには、3.58MHzのサブキャリアという波形を同期信号に挿入する必要がありますが、サブキャリア無しの同期信号にして、色は簡単に白黒グレイの３色でいきたいと思います。
●テレビ信号について
テレビは１秒間に２９．９７枚の画像を更新して動いているように見せています。また１枚の画像は水平ラインが５２５ラインで構成されますが、インターレースといって、偶数ライン毎（５２５／２本）、奇数ライン毎（５２５／２本）と交互に画像を更新していきます。
偶数ラインまたは奇数のラインはそれぞれ２６２．５本となりますが、これをフィールドとよびます。２フィールドで１フレームという呼び方もします。
テレビで表示するためにはフィールドの横方向の先頭と上方向の先頭を決めてあげる必要があります。なぜなら連続する信号の中から、ここから先頭だと知らないと１ラインずつ取り出すことができないからです。この先頭を決めるのが同期信号と呼ばれ、信号中に含まれています。この同期信号は画像以外の部分で、画像とは、はっきりと区別ができるようなレベルの信号になっています。
同期信号の種類は、横方向の同期信号＝水平同期信号 、 縦方向の同期信号＝垂直同期信号があります。
１フレームの構成
第１フィールド （奇数または偶数） 奇数偶数はメディアによって異なるようです。放送とDVDは違うみたいです。
２６２．５本のライン
１ラインの中に水平同期と画像情報 （２６２．５−２０）ライン
垂直同期だけのライン ２０ライン（ブランキング期間）
垂直同期はさらに３ラインの等価パルスライン＋３ラインVSYNCライン＋３ラインの等価パルスライン
が２０ラインの先頭に含まれています。
１０ラインから２０ライン目までは水平同期つきの画像がない領域です。
第２フィールド （偶数または奇数）
２６２．５本のライン
１ラインの中に水平同期と画像情報 （２６２．５−２０）ライン
垂直同期だけのライン ２０ライン（ブランキング期間）
垂直同期はさらに３ラインの等価パルスライン＋３ラインVSYNCライン＋３ラインの等価パルスライン
が２０ラインの先頭に含まれています。
２７３ラインから２８２ライン目までは水平同期つきの画像がない領域です。
●マイコンでのテレビ信号のシミュレート
ではマイコンではどうするかいうと、テレビの１ラインの周期が約６３．５６µｓなので、まずこの時間を作ります。今回は１６ビットタイマーにてコンペアマッチ割り込みを使用して作成しました。割り込み１回で１ラインなので、割り込みの中でラインをカウントすることができます。
【 割り込み内での処理 】
１ライン目から９ライン目までは垂直同期パルスをＶｉｄｅｏポートに出力します。つまり０Vと０．３Vをdelay関数を使って規定の間隔で出力します。１０ライン目以降は水平同期パルスをＶｉｄｅｏポートに出力します。
【 割り込み外の処理 】
メインループは通常Ｓｌｅｅｐ状態で停止しています。Ｓｌｅｅｐは割り込みの終了によって解除され、メインループが動き出します。つまり１ライン単位でのタイミングの頭だしが常にできているわけです。（垂直および水平同期がとれている）
１０ライン目から２０ライン目は、各種演算や画像用メモリの書き換えやスイッチを読み取ったり等の処理をしています。
２１ライン目から２６２ライン目までは画像メモリの内容をＶｉｄｅｏポートに出力しています。かなりタイミングが厳しいので、他の処理は行うことができません。
１ラインの処理が終わったらまたＳｌｅｅｐに入り、メインループを停止します。
●画像メモリ
カタカタの「イ」では１６×１６バイトを画像メモリとしました。１バイト＝１ドットで表現し、あらかじめ「イ」のドットデータを画像メモリに書き込んでおきました。画像メモリをテレビに書き出すには、テレビの２１ライン目から画像メモリのラインを順次出力するわけですが、テレビ６ライン分で画像メモリ１ライン分とすることにしました。これは、見た目がちょうどよい大きさにするためです。横方向の１ドットを出力すると大体６ライン分のサイズが縦横比１：１に近くなります。
ドット出力について説明すると、１ライン６３．５µｓですが、割り込み中の時間である水平同期パルス出力時間分の１１µｓを差し引くと、メインループでは残り４０〜５０µｓくらいしかありません。割り込みのオーバーヘッドがあるともっと少なくなります。残りの時間４０〜５０µｓに多くのドットを打てるかというと、Ｃ言語ではせいぜい３０〜４０ドットくらいでしょう。ここでは正確に同じタイミングでＶｉｄｅｏポートへ出力しないと、各ラインの画像の終端がバラバラになってしまいます。
アセンブラだともっとドットが打てます。今回はＣ言語ですが１６ドットくらいならまだ余裕があります。
ここに説明図
●実際の回路
抵抗３本で白黒３階調(０．７８V、０．６５V、０．５V)と約０．３Vおよび０Vを作ることにしました。
R0＝１Kオーム
R1＝２Kオーム
R2＝１Kオーム
2007.7.21回路修正 VideoポートをPORTBからPORTCへ変更しています。ご注意ください。
Video信号は１VPPなので、必ず振幅が１V以下である必要があります。抵抗の定数を変更する場合は必ず、１V以下なのをオシロで確認してください。テスターでやる場合は一度ブレッドボードに抵抗だけの回路を組んで、５Vをかけてテストすればよいと思います。
●全体の回路
ATmega１６８の外部水晶２０MHｚを使用して回路を作りました。
（開けなかった場合は、２，３度クリックしてみてください）
●実際のTV映像（テレビのビデオ入力につなぎました）
1
2 
3
4
1番目はカタカタの「イ」
２番目はSin波形、天地逆ですが(笑)
３番目はブロック崩し風ぶろっきー君デモ版
４番目はテキスト表示とドット波形表示 2007.9.3追加記事
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●実験ソフト１ カタカナの「イ」
同期信号のタイミングについては、ChanさんのRS-170A概要 (最後にリンクあります) を参考にさせていただきました。本当は２フィールド構成にしたかったのですが、２フィールドだとテレビがうまく認識してくれません。しょうがないので、１フィールドの繰り返しにしました。
内容としては、タイマーを動かし１H（６３．５µｓ）で割り込みをかけます。
割り込み内では、何ライン目かカウントしていて、対応するカウントで同期信号のパルスを出します。
割り込みが終わると、メインループではスリープしているので、スリープを抜けループが動きだします。
ループ内では指定したラインからイの文字表示を開始します。まず表示開始の横方向は、画面の中央に文字がくるように適当なdelayを入れました。次に縦方向です。イのフォントは１６×１６ですが、６ラインごとにフォントの１ラインを出力していきます。。
フォントの横方向の１ドット毎は、タイミング制御していません。適当に遅れがでて幅がでています。
今回は細かいタイミング制御をすることなく、文字を出しています。将来、表示装置として使う場合は 位置を決め打ちで出せるように、タイミング制御する必要があります。といっても難しくなく、１文字の出力時間間隔を一定に保つだけなのです。
統合環境：AVRStudio4 Ver4.12 SP4 Build498
コンパイラ：WinAVR-20060421
カタカナの「イ」 ATMega168Video.zip Ver1.0a 2007.7.21
●実験ソフト２ Sin波形
基本はまったく実験ソフト１と同じで、同期信号の割り込みとスリープです。
最初にメモリを用意し、Sin波形を２PI分、４０ステップ入れておきます。
X軸が時間なのですが、あるラインカウントでX軸のループ（メモリの４０ステップを順に見ていく）をしていったときに、波形メモリの値とラインカウントが一致すれば点を打ち、そうでなければ黒を出力します。これを全ラインをおこなうと波形が表示されます。
グラフを正確に書くのは難しいみたいです。タイミング制御をきちんとやらないと指定した座標に点を打つことはできません。アセンブラでやりたいところです。今回はC言語なので、時間軸はループの実行速度なので密なものはできませんでした。荒い点々でしたが、雰囲気はつかめた感じです。
統合環境：AVRStudio4 Ver4.12 SP4 Build498
コンパイラ：WinAVR-20060421
Sin波形 ATMega168Video_Sin.zip Ver1.0a 2007.7.21
●実験ソフト３ 環境ソフト ぶろっきー君（デモ版） 【 まだゲームはできません 】
ブロック崩し風の動きがあるものを作ってみました。デモ版なので、ゲームはできません。見て楽しんでください。
基本はまったく実験ソフト１と同じで、同期信号の割り込みとスリープです。なおかつ、「イ」はドットが１６×１６でしたが、ブロック表示用に２０×１６ドットに拡張しました。やっていることは文字表示と基本的に同じです。数フレーム毎にドットを変更していくだけです。
ブロックくずし風なのですが、まだラケットの判定ルーチンを組み込んでいません。デモ版としてラケットはボールに追従して動きます。よって必ず、ボールを打ち返します。打ち返すというより、床にバウンドする処理のままです(笑)
ソースを変更すれば、ボールの早さを調節できるので見たい方はやってみてください。
著作権は放棄していませんが、ソースにオリジナルがすんによることをコメントに記述してもらえれば改変して公開することが可能です。公開したときは、オリジナルソフトのサイトとしてここのサイトも紹介してください。リンクを張ってもらえると助かります。 （たぶんいないと思いますが商業使用は要相談）
統合環境：AVRStudio4 Ver4.12 SP4 Build498
コンパイラ：WinAVR-20060421
ブロック崩し風デモ ATMega168Video_BlockDemo.zip Ver1.0 2007.7.21
2007.9.3追加記事
●実験ソフト４ テキスト表示とドット波形表示（参考版） 【 まだ初期実験中のものです。汎用性はありません 】
とりあえず、RAMに72x72ドットのビデオメモリーと9x8のキャラクターメモリーを確保にして、グラフと文字表示をやってみました。やはりあと少しRAMが欲しいです。1Kのうち73%使用しているので、後日追加予定のプログラムで大きなことはできないです。シリアル通信して、表示を更新するぐらいでしょうね。
横５縦８ドットのフォントは自作で、英数字の大文字だけ作りました。フォントはプログラムメモリーにあるので、RAMは消費しません。ＷＳＮＡＫさんの#172TVゲーム基板にも移植する予定です。
試行錯誤した点は、水平方向の表示をアセンブラでやっているところです。これは、ループを極力排除し、べたでそのまま水平９バイトを７２ドットに展開しています。最初はループで作ったので、タイミングがずれてガタガタの表示でした。アセンブラルーチンはインラインではなく、Ｃからアセンブラを呼ぶ形式にしました。ＡＶＲのアセンブラはあまり経験がないのでもうちょっとよいコードにできるかもしれません。改善の余地あるかもしれません。
著作権は放棄していませんが、ソースにオリジナルがすんによることをコメントに記述してもらえれば改変して公開することが可能です。公開したときは、オリジナルソフトのサイトとしてここのサイトも紹介してください。リンクを張ってもらえると助かります。 （たぶんいないと思いますが商業使用は要相談）
統合環境：AVRStudio4 Ver4.12 SP4 Build498
コンパイラ：WinAVR-20060421
WELCOME デモ ATMega168VideoSin2ver01.zip 2007.8.14
●マイコンのVideo出力でできそうなものの検討 2007.7.23追加
１） ラーメンタイマー（タイマーはあくまで、１Hの63.5µｓを基準に考える。１H時間に半端がでないように水晶周波数の選定も重要）
２） 漢字表示装置（EEPROMに漢字フォントをのせ、漢字を表示する。ただし、画像メモリが少ないのでスクロール表示にする）
３） 環境ビデオ的な使い方 その１（よくあるいやしグッズで、画面の中に線で描いた人が歩いたり、とまったり、寝たりしている）
４） 環境ビデオ的な使い方 その２（よくあるいやしグッズで、画面の中に線で描いたシャクトリムシが動いている）
５） リサージュ図形の表示（いろいろな関数を使って曲線？を表示する、意外とおもしろい形ができたりする）
●参考リンク
ChanさんのRS-170A概要 Chanさんのサイト
AVR Video Generator widh an AVR Mega163 （ATMELサイト）
ワンチップマイコンで作るビデオ信号ジェネレーター 小山先生(弘前大学)のサイト
ワンチップマイコンでゲームを作ろう 小椋さんのサイト
