常見視頻信號傳輸特性及轉(zhuǎn)換深度分析

1. 分量視頻(Component Signal)

攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)將景像的光束分解為三種基本的彩色：紅色、綠色和藍(lán)色。感光器材再把三種單色圖像轉(zhuǎn)換成分離的電信號。為了識別圖像的左邊沿和頂部，電信號中附加有同步信息。顯示終端與攝像機(jī)的同步信息可以附加在綠色通道上，有時也附加在所有的三個通道，甚至另作為一個或兩個獨(dú)立的通道進(jìn)行傳輸，下面是幾種常見的同步信號附加模式和表示方法：

- RGsB：同步信號附加在綠色通道，三根75Ω同軸電纜傳輸。

- RsGsBs：同步信號附加在紅、綠、藍(lán)三個通道，三根75Ω同軸電纜傳輸。

- RGBS：同步信號作為一個獨(dú)立通道，四根75Ω同軸電纜傳輸。

- RGBHV：同步信號作為行、場二個獨(dú)立通道，五根75Ω同軸電纜傳輸。

RGB分量視頻可以產(chǎn)生從攝像機(jī)到顯示終端的高質(zhì)量圖像，但傳輸這樣的信號至少需要三個獨(dú)立通道分別處理，使信號具有相同的增益、直流偏置、時間延遲和頻率響應(yīng)，分量視頻的傳輸特性如下：

- 傳輸介質(zhì)：3-5根帶屏蔽的同軸電纜

- 傳輸阻抗：75?- 常用接頭：3-5×BNC接頭

- 接線標(biāo)準(zhǔn)：紅色=紅基色(R)信號線，綠色=綠基色(G)信號線，藍(lán)色=藍(lán)基色(B)信號線，黑色=行同步(H)信號線，黃色=場同步(V)信號線，公共地＝屏蔽網(wǎng)線(見附圖VP-03)

2. 復(fù)合視頻(Composite-Video)

由于分量視頻信號各個通道間的增益不等或直流偏置的誤差，會使終端顯示的彩色產(chǎn)生細(xì)微的變化。同時，可能由于多條傳輸電纜的長度誤差或者采用了不同的傳輸路徑，這將會使彩色信號產(chǎn)生定時偏離，導(dǎo)致圖像邊緣模糊不清，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)多個分離的圖像。

插入NTSC或PAL編解碼器使視頻信號易于處理而且是沿單線傳輸，這就是復(fù)合視頻。復(fù)合視頻格式是折中解決長距離傳輸?shù)姆绞?，色度和亮度共?.2MHz(NTSC)或5.0-5.5MHz(PAL)的頻率帶寬，互相之間有比較大的串?dāng)_，所以還是要考慮頻率響應(yīng)和定時問題，應(yīng)當(dāng)避免使用多級編解碼器，復(fù)合視頻的傳輸特性如下：

- 傳輸介質(zhì)：單根帶屏蔽的同軸電纜

- 傳輸阻抗：75?- 常用接頭：BNC接頭、蓮花(RCA)接頭

- 接線標(biāo)準(zhǔn)：插針=同軸信號線，外殼公共地＝屏蔽網(wǎng)線(見附圖VP-01)

3. 色差信號(Y,R-Y,B-Y)

對視頻信號進(jìn)行處理而傳輸圖像時，RGB分量視頻的方式并不是帶寬利用率最高的方法，原因是三個分量信號均需要相同的帶寬。

人類視覺對亮度細(xì)節(jié)變化的感受比彩色的變化更加靈敏，因此我們可以將整個帶寬用于亮度信息，把剩余可用帶寬用于色差信息，以提高信號的帶寬利用率。

將視頻信號分量處理為亮度和色差信號，可以減少應(yīng)當(dāng)傳輸?shù)男畔⒘俊Ｓ靡粋€全帶寬亮度通道(Y)表示視頻信號的亮度細(xì)節(jié)，兩個色差通道(R-Y和B-Y)的帶寬限制在亮度帶寬的大約一半，仍可提供足夠的彩色信息。采用這種方法，可以通過簡單的線性矩陣實(shí)現(xiàn)RGB與Y,R-Y,B-Y的轉(zhuǎn)換。色差通道的帶寬限制在線性矩陣之后實(shí)現(xiàn)，將色差信號恢復(fù)為RGB分量視頻顯示時，亮度細(xì)節(jié)按全帶寬得以恢復(fù)，而彩色細(xì)節(jié)會限制在可以接受的范圍內(nèi)。

色差信號也有多種不同的格式，有著不同的應(yīng)用范圍，在普遍使用的復(fù)合PAL、SECAM和NTSC制式中，編碼系數(shù)是各不相同的，見下表：

4. 數(shù)字視頻(SDI)

數(shù)字視頻也有多種不同的格式，而且應(yīng)用在不同的范圍，這里指的是“串行數(shù)字視頻”(Signal-Digital Interface)，一般簡寫為SDI接口。

伽馬校正后RGB信號在線性矩陣中變換為一個亮度分量Y和兩個色度Pb、Pr。由于人眼視覺對亮度細(xì)節(jié)變化的感受比彩色的變化更加靈敏，因此亮度信號Y以較高的帶寬(SDTV為5.5MHz)通過傳輸系統(tǒng)。亮度信號經(jīng)過低通濾波后抽樣頻率為13.5MHz，在A/D轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生了10 bit的13.5MB/s碼流；兩路色度信號經(jīng)過同樣的過程后，在A/D轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生了兩路10 bit的6.75MB/s碼流，三個視頻通道經(jīng)復(fù)用形成27MB/s的10 bit并行數(shù)據(jù)碼流(Y,Cb,Cr)。

27MB/s的10 bit并行數(shù)據(jù)碼流送到移位寄存器(串化器)，加入時鐘和加擾，按照電視規(guī)范形成了270Mb/s的串行數(shù)據(jù)碼流(SDI)。

5. 視頻格式的轉(zhuǎn)換

視頻的不同格式?jīng)Q定了信號在亮度、色度、對比度、銳度、清晰度、最高分辨率等各個方面的表現(xiàn)。從上述對各種視頻格式的分析可以知道，視頻高清晰度質(zhì)量的級別大致可以進(jìn)行如右的排序(由高往低)：

其中，目前最高級別的當(dāng)選DVI數(shù)字視頻信號，但存在只能短距離傳輸?shù)娜秉c(diǎn)(有效距離約5米)，SDI數(shù)字視頻具備可以編輯和更長距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，RGBHV與VGA其實(shí)屬于統(tǒng)一檔次的信號，只是由于信號的組成分量不同而有兩種稱呼，S-Video比起Video(復(fù)合視頻的簡稱)在亮度利用率上有明顯的提升，并有效消除了色彩蠕動現(xiàn)象，射頻格式是最低級的信號，僅在監(jiān)控和公共電視的范圍應(yīng)用。

工程應(yīng)用中經(jīng)常會面臨很多信號格式的轉(zhuǎn)換過程，這些不同格式的信號轉(zhuǎn)換需要遵循那些規(guī)則？最終會產(chǎn)生什么效果的影響？一般認(rèn)為：

低級別格式向高級別格式轉(zhuǎn)換有比較明顯的質(zhì)量提升，比如早期的倍頻掃描器或四倍頻掃描器，還有目前流行的智能視頻調(diào)節(jié)器，都是Video-RGBHV(復(fù)合視頻-分量視頻)的轉(zhuǎn)換處理，對于提高信號的質(zhì)量有很明顯的改善。因?yàn)檫@些產(chǎn)品均使用了多比特數(shù)字技術(shù)，確保信號質(zhì)量(清晰度、亮度、信噪比)可以進(jìn)行高度還原。

DVI數(shù)字視頻通常會轉(zhuǎn)換成SDI或RGBHV，轉(zhuǎn)換后原始信號的清晰度有所損失，但使DVI信號實(shí)現(xiàn)了長距離傳輸；VGA信號轉(zhuǎn)換成RGBHV實(shí)際效果并沒有得到提升，因?yàn)槎咄燃墑e，但解決了VGA信號的同步通用匹配問題，而且能夠進(jìn)行更長距離的傳輸。

高級別格式向低級別格式(比如VGA轉(zhuǎn)Video)轉(zhuǎn)換的過程，無論對原始信號的任何方面，包括亮度、色度、色彩、對比度、銳度、清晰度、最高分辨率都會造成嚴(yán)重的損失，這種轉(zhuǎn)換沒有任何的意義，但早期具備一定的使用價值，比如：把電腦的VGA信號轉(zhuǎn)換成Video進(jìn)行磁帶錄像、電視機(jī)電視墻顯示，或者在視像會議中用于“抓圖”傳輸。

6. 高級別向低級別視頻格式的轉(zhuǎn)換缺點(diǎn)

6.1. 固有的掃描抖動

標(biāo)準(zhǔn)視頻信號由一組掃描線組成，并不是所有這些線都可見。在NTSC制式中，可見的線有483條，而在PAL和SECAM制式中有576條。線數(shù)少的電視視頻圖像，在顯示非常小的文字或其它復(fù)雜的細(xì)節(jié)方面受到限制。相比之下，計算機(jī)顯示設(shè)備的掃描線數(shù)可從低分辨率(≤480條) 到高分辯率(≥1280條)?，F(xiàn)在，許多新的計算機(jī)顯示卡可讓用戶在幾種不同顯示分辨率中選擇。顯然分辨率越高，文字與圖像的細(xì)節(jié)就顯象得越完美。

電視信號是隔行掃描的，意味著每一屏 “畫面”實(shí)際上是由兩個半幀構(gòu)成的，即兩個分別由奇數(shù)線與偶數(shù)線組成的場。首先奇數(shù)線被掃描，然后消隱，接著偶數(shù)線被掃描在原奇數(shù)線之間。依次顯示又隱去的奇數(shù)場和偶數(shù)場使具有一定形狀的圖像易產(chǎn)生明顯的抖動，特別是那些細(xì)的水平線。

如圖：

左圖：第一場(奇數(shù)線幀)奇數(shù)線按從上到下、從左至右掃描

右圖：第二場(偶數(shù)線幀)偶數(shù)線在奇數(shù)線之間的位置上，從上到下、從左到右掃描

相反，計算機(jī)信號的產(chǎn)生使用的是非隔行掃描的信號，也稱為“逐行掃描”方式。所有掃描線以從上到下，從左到右的順序一次掃完，不分奇偶幀。這樣就消除了電視系統(tǒng)中由于隔行掃描而帶來的圖像抖動問題。

6.2. 信號格式兼容性

NTSC、PAL和SECAM是幾種常見的標(biāo)準(zhǔn)電視視頻信號格式，它們規(guī)定了顯示圖像的線數(shù)、色彩信息的定義和掃描線的速度(即刷新頻率)。另外還有許多與這些格式不同的格式，如：復(fù)合視頻、S-Video和D1(數(shù)字)視頻，但是所有這些格式都有很多共同點(diǎn)。例如：它們都是隔行掃描的，掃描線數(shù)為483(NTSC)或576 (PAL和SECAM)，都有固定不變的刷新頻率。NTSC制的兩個隔行的場組成一幀，每秒鐘出現(xiàn)30次(30Hz)，對PAL和SECAM制式來說，每秒鐘出現(xiàn)25次(25Hz)。

與電視視頻不同，計算機(jī)視頻信號并沒有一個必須遵守的單一標(biāo)準(zhǔn)，可選擇的分辨率與刷新頻率范圍很廣，刷新頻率一般在60Hz到85Hz之間。盡管計算機(jī)不采用隔行掃描的方式顯示圖像，但一些顯卡提供了隔行掃描顯示的功能。任意情況下，計算機(jī)視頻信號向監(jiān)視器傳遞色度與亮度信息的方式是相同的，所有VGA、SVGA和Mac計算機(jī)的視頻格式都將紅、綠、藍(lán)信息作為單獨(dú)的信號(分量)進(jìn)行傳遞。因此，這使計算機(jī)可以顯示很寬的顏色范圍而不失真，而最一般的電視視頻格式是將紅、綠、藍(lán)信息組合為一個單獨(dú)信號(色度)向監(jiān)視器傳遞。

高級別格式向低級別格式轉(zhuǎn)換的過程一般通過掃描轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)觀念聽起來很簡單，就算使人認(rèn)同了設(shè)計的理念，在技術(shù)上還是有很多需要考慮的因素：

- 掃描轉(zhuǎn)換器的計算機(jī)輸入兼容性

- 兼容計算機(jī)的最高分辨率是多少

- 是否需要“同步鎖相”

- 掃描轉(zhuǎn)換器的彩色抽樣率

- 掃描轉(zhuǎn)換器的編碼器的質(zhì)量如何

- 輸出何種格式的視頻信號

- 有無內(nèi)置的測試圖案

熟悉計算機(jī)分辨率的人都知道視頻線數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)的分辨率。因此將上述信號輸入到投影機(jī)或顯示設(shè)備時會帶來不兼容的問題，表現(xiàn)為：

- 畫面像素點(diǎn)缺損，大部分細(xì)節(jié)無法重現(xiàn)

- 圖像被拉伸或扭曲，僅僅能重現(xiàn)信息的輪郭

- 投影機(jī)或顯示設(shè)備對輸入圖像進(jìn)行強(qiáng)制兼容處理，這種附加的處理經(jīng)常會使圖像質(zhì)量下降(人為因素，類似梯型校正功能)。

另一個局限是由掃描轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的垂直刷新頻率，由掃描轉(zhuǎn)換器輸出信號的垂直刷新頻率最高為60Hz或50Hz，具體取決于輸出信號是NTSC還是PAL/SECAM制式，而許多投影機(jī)都可以輸入和顯示更高的刷新頻率，提供一個較好的圖像質(zhì)量。而當(dāng)使用掃描轉(zhuǎn)換器時，會使投影機(jī)在較低的刷新頻率下所顯示的圖像受到限制。

6.3. 損失投影機(jī)的固有分辨率

LCD和DLP投影機(jī)或PDP顯示設(shè)備是經(jīng)常與掃描轉(zhuǎn)換器或者視頻調(diào)節(jié)器連用的設(shè)備，這些設(shè)備都用像素來顯示圖像，所有象素點(diǎn)的數(shù)目被稱作固有分辨率。

盡管許多投影機(jī)可以顯示那些分辨率低于固有分辨率的圖像，但在固有分辨率下所顯示的圖像的質(zhì)量最高。比如：固有分辨率為1024×768的投影機(jī)可以顯示分辨率為800×600的畫面，但其效果沒有顯示分辨率為 1024×768的圖像好，因?yàn)榉直媛蕿?024×768圖像中的每一個點(diǎn)都對應(yīng)于固有分辨率為1024×768的投影機(jī)的每一個像素點(diǎn)，使顏色的顯示非常清晰，沒有象顯示分辨率為800×600的圖像那樣需要進(jìn)行顏色補(bǔ)償而造成圖像清晰度下降。