视频交换、传输与控制培训技术资料

视频交换 传输与控制培训提纲 一 视频交换 传输与控制培训内容 1 了解视频信号基础 2 了解视频交换的基础 3 了解视频传输的基础 4 了解常用控制信号使用 二 视频信号基础 1 电视信号 PAL NTSC SECAM 2 标准视频输入 RCA 接口 3 S 端子视频接口 4 VGA D Sub 15 针 5 DVI 接口 6 色差视频接口 分量 7 HDMI 接口 8 BNC 端子 5 BNC 9 SDI 接口 SD SDI HD SDI 3G SDI 10 Display Port 接口 三 视频信号交换 1 分配器 2 切换器 3 矩阵 四 视频信号传输特性 五 六 七 控制信号类型 八 九 控制信号传输特性 十 视频 视频 英语 Video 又称影片 视讯 视像 録像 动态影像 泛指将一系列的静态图 像以电信号方式加以捕捉 纪录 处理 存储 传送与重现的各种技术 视频技术最早是从阴极射线管的电视系统的创建而发展起来的 但是之后新的显示技术的 发明 让视频技术包括的范畴更大了 基于电视的标准和基于计算机的标准 被试图从两 个不同的方面来发展视频技术 现在得益于计算机性能的提升 并且伴随着数字电视的播 出和记录 这两个领域又有了新的交叉和集中 电脑现在能显示电视信号 能显示基于电影标准的视频文件和流媒体 和快到暮年的电视 系统相比 电脑伴随着其运算器速度的提高 存储容量的提高 和宽带的逐渐普及 通用 的计算机都具备了采集 存储 编辑和发送电视 视频文件的能力 概论 模拟视频标准在世界各地的分布 亮绿 NTSC 黄 PAL 或即将采用 PAL 橘 SECAM 橄榄 无相关数据 视频 这个术语是来源于拉丁语的 我能看见 通常指不同种类的活动画面 数字视频 格式 包括 DVD Quicktime Mp4 和模拟信号磁带等 其中包括 VHS 磁带和 Beta 带 视频可以通过不同的媒介来记录和传播 包括基于 磁 技术的磁带 磁带通常在拍摄 Pal 和 Ntsc 制式的模拟摄像机上使用 而使用数字摄像机的时候 除了使用磁带 我们也使用 硬盘和闪存卡等其他的载体 视频文件的质量 通常决定于采集的方式和存储的方式 数 字电视 DTV 的质量 最近已经比早前的模拟传播的电视的质量高了不少 慢慢会成为 广播的新标准 3 维视频 从 20 世纪的晚期才出现 使用 6 个或者 8 个摄像机 实时的 测量出拍摄主体的情况 并记录成 3 维格式 这种技术已经在 Mpeg 4 标准的 16 章节 Animation Framework eXtension AFX 规定下来 在不同的国家 视频 Video 这个词有不同的意义 在英国 澳大利亚 挪威 芬兰 匈 牙利和新西兰 video 一词通常非正式的指涉录影机与录像带 其意义可由文章前后文来判 断 编辑 视频流的特性 编辑 画面更新率 Frame rate 中文常译为 画面更新率 或 帧率 是指视频格式每秒钟播放的静态画面数 量 典型的画面更新率由早期的每秒 6 或 8 张 frame per second 简称 fps 至现今的每 秒 120 张不等 PAL 欧洲 亚洲 澳洲等地的电视广播格式 与 SECAM 法国 俄国 部分 非洲等地的电视广播格式 规定其更新率为 25fps 而 NTSC 美国 加拿大 日本等地的电 视广播格式 则规定其更新率为 29 97 fps 电影胶卷则是以稍慢的 24fps 在拍摄 这使得各 国电视广播在播映电影时需要一些复杂的转换手续 参考 Telecine 转换 要达成最基本的 视觉暂留效果大约需要 10fps 的速度 编辑 交错扫描与循序扫描 视频可能以交错扫描或循序扫描来传送 交错扫描是早年广播技术不发达 带宽甚低时用 来改善画质的方法 其技术细节请参见其主条目 NTSC PAL 与 SECAM 皆为交错扫描格 式 在视频分辨率的简写当中经常以 i 来代表交错扫描 例如 PAL 格式的分辨率经常被写 为 576i50 其中 576 代表水平扫描线数量 i 代表交错扫描 50 代表每秒 50 个 field 一半 的画面扫描线 在循序扫描系统当中 每次画面更新时都会刷新所有的扫描线 此法较消耗带宽但是画面 的闪烁与扭曲则可以减少 为了将原本为交错扫描的视频格式 如 DVD 或模拟电视广播 转换为循序扫描显示设备 如 LCD 电视 等离子电视等 可以接受的格式 许多显示设备或播放设备都具备有去交 错的程序 但是由于交错信号本身特性的限制 去交错并无法达到与原本就是循序扫描的 画面同等的品质 编辑 视频分辨率 各种电视规格分辨率比较 视频的画面大小称为 分辨率 数字视频以像素 Pixel 为度量单位 而模拟视频以水平 扫描线数量为度量单位 标清电视频号分辨率为 720 704 640 x480i60 NTSC 或 768 720 x576i50 PAL SECAM 新的高清电视 HDTV 分辨率可达 1920 x1080p60 即每条 水平扫描线有 1920 个像素 每个画面有 1080 条扫描线 以每秒钟 60 张画面的速度播放 3D 视频的分辨率以 voxel volume picture element 中文译为 体素 来表示 例如一个 512 512 512 体素的分辨率 用于简单的 3D 视频 可以被包括部分 PDA 在内的电脑设 备播放 编辑 长宽比例 传统电视 绿 与常见的电影画面长宽比例之比较 长宽比 Aspect ratio 是用来描述视频画面与画面元素的比例 传统的电视屏幕长宽比为 4 3 1 33 1 HDTV 的长宽比为 16 9 1 78 1 而 35mm 胶卷底片的长宽比约为 1 37 1 虽然电脑屏幕上的像素大多为正方形 但是数字视频的像素通常并非如此 例如使用于 PAL 及 NTSC 信号的数字保存格式 CCIR 601 以及其相对应的非等方宽屏幕格式 因此以 720 x480 像素记录的 NTSC 规格 DV 图像可能因为是比较 瘦 的像素格式而在放映时成为 长宽比 4 3 的画面 或反之由于像素格式较 胖 而变成 16 9 的画面 编辑 色彩空间与像素数据量 U V 色盘示例 其中 Y 值 0 5 色彩空间 Color Space 或色彩模型 Color model name 规定了视频当中色彩的描述方式 例如 NTSC 电视使用了 YIQ 模型 而 PAL 使用了 YUV 模型 SECAM 使用了 YDbDr 模型 在数字视频当中 像素数据量 bits per pixel 简写为 bpp 代表了每个像素当中可以显示 多少种不同颜色的能力 由于带宽有限 所以设计者经常借由色度抽样之类的技术来降低 bpp 的需求量 例如 4 4 4 4 2 2 4 2 0 编辑 视频品质 视频品质 或译为 画质 图像质素 可以利用客观的峰值信噪比 peak signal to noise ratio PSNR 来量化 或借由专家的观察来进行主观视频品质的评量 对一套视频处理系统 例如压缩算法或传输系统 典型的主观画质评量通常包含下列几个 步骤 选择一组未处理的视频片段 称为 SRC 作为比较基准 选择处理或传输系统的设置值 称为 HRC 订定如何将处理过的视频体现给评估者并且收集其评价的科学方法 邀请足够数量的评估者 通常不少于 15 人 实施评量 计算每个评估者给予每组不同 HRC 所打的分数 通常取平均值 在 ITU T 建议书 BT 500 当中描述了许多种进行主观画质评量的方法 其中一种标准化的作 法是 DSIS Double Stimulus Impairment Scale 在 DSIS 评量中 评估者会先观看一段未处 理过的视频片段 再观看处理过的视频片段 最后再针对处理过的视频片段做出评价 从 与原始图像分不出差异 到 与原始图像相比严重劣化 编辑 视频压缩技术 仅适用数字信号 自从数字信号系统被广泛使用以来 人们发展出许多方法来压缩视频流 由于视频数据报 文含了空间的与时间的冗余性 所以使得未压缩的视频流以传送效率的观点来说是相当糟 糕的 总体而言 空间冗余性可以借由 只记录单帧画面的一部份与另一部份的差异性 来减低 这种技巧被称为帧内压缩 intraframe compression 并且与图像压缩密切相关 而时间冗 余性则可借由 只记录两帧不同画面间的差异性 来减低 这种技巧被称为帧间压缩 interframe compression 包括运动补偿以及其他技术 目前最常用的视频压缩技术为 DVD 与卫星电视所采用的 MPEG 2 以及互联网传输常用的 WMV 编辑 位传输率 仅适用于数字信号 位传输率 又译为位速率或比特率或码率 是一种表现视频流中所含有的信息量的方法 其数量单位为 bit s 每秒间所传送的位数量 又写为 bps 或者 Mbit s 每秒间所传送的 百万位数量 又写为 Mbps 较高的位传输率将可容纳更高的视频品质 例如 DVD 格式的 视频 典型位传输率为 5Mbps 的画质高于 VCD 格式的视频 典型位传输率为 1Mbps HDTV 格式拥有更高的 约 20Mbps 位传输率 也因此比 DVD 有更高的画质 可变码率 Variable bit rate 简写为 VBR 是一种追求视频品质提升并同时降低位传输率的 手段 采用 VBR 编码的视频在大动态或复杂的画面时段会自动以较高的速率来记录图像 而在静止或简单的画面时段则降低速率 这样可以在保证画面品质恒定的前提下尽量减少 传输率 但对于传送带宽固定 需要实时传送并且没有暂存手段的视频流来说 固定码率 Constant bit rate CBR 比 VBR 更为适合 视频会议系统即为一例 编辑 立体视频 立体视频 Stereoscopic video 是针对人的左右两眼提交略微不同的视频以营造立体物 的感觉 由于两组视频画面是混合在一起的 所以直接观看时会觉得模糊不清或颜色不正 确 必须借由遮色片或特制眼镜才能体现其效果 此方面的技术仍在继续进化中 预料 2006 年末 HD DVD 与 Blu ray Disc 两方都会出现含有立体视频的视频 参见 Stereoscopy 与 3 D film PAL 制式 PAL 制式是电视广播中色彩调频的一种方法 全名为逐行倒相 Phase Alternating Line 除了北美 东亚部分地区使用 NTSC 制式 中东 法国及东欧采用 SECAM 制式以外 世界 上大部份地区都是采用 PAL 制式 PAL 由德国人沃尔特 布鲁赫于 1963 年提出 当时他为 德律风根 Telefunken 工作 历史 在 1950 年代 当时西欧正计划彩色电视广播 不过当时美规的 NTSC 制式本身已有不少缺 陷 包括当接收条件差时 容易发生色相转移 color tone shifting 现象 所以有人昵称 NTSC 为 Never The Same Color 不会重现一样的色彩 为了克服 NTSC 制式本身的缺点 欧洲有需要自行研发适合欧洲本土的彩色电视制式 就是后来的 PAL 及 SECAM 制 而两者 图像频率同为 50Hz 不同于 NTSC 的 60Hz 适合欧洲本身的 50Hz 交流电源频率 PAL 制式由 Walter Bruch 于当时的西德的德律风根公司设计 制式早在 1963 年面世 而英 国广播公司则是最早使用该制式的电视台 于 1964 年在其 BBC2 频道试播 1967 年正式开 始全彩广播 而西德则在 1967 年开始 国际电信联盟在 1998 年正式在其出版物将 PAL 彩 色广播制式正式定义为 Recommendation ITU R BT 470 6 Conventional Television Systems PAL 有时亦被用来指 625 线 每秒 25 格 隔行扫描 PAL 色彩调频的电视制式 576i 它与 525 线 每秒 29 97 格 隔行扫描的 NTSC 制式 480i 不同 在市售的 DVD 一般都会标 示 NTSC 或 PAL 制 编辑 原理 PAL 发明的原意是要在兼容原有黑白电视广播格式的情况下加入彩色讯号 PAL 的原理与 NTSC 接近 逐行倒相 的意思是每行扫描线的彩色讯号 会跟上一行倒相 作用是自动 改正在传播中可能出现的错相 早期的 PAL 电视机没有特别的组件改正错相 有时严重的 错相仍然会被肉眼明显看到 近年的电视会把上行的色彩讯号跟下一行的平均起来才显示 这样 PAL 的垂直色彩分辨率会低于 NTSC 但由于人眼对色彩的灵敏不及对光暗 因此这 并不是明显问题 NTSC 电视机需要色彩控制 tint control 来手动调节颜色 这亦是 NTSC 的最大缺陷之一 编辑 不同的 PAL PAL 黄 NTSC 绿 SECAM 橙 在各地的分布 PAL 本身是指色彩系统 经常被配以 625 线 每秒 25 格画面 隔行扫描的电视广播格式 如 B G H I N 亦有 PAL 是配以其他分辨率的格式 例如巴西使用的 M 广播格式为 525 线 29 97 格 与 NTSC 格式一样 用 NTSC 彩色副载波 但巴西是使用 PAL 彩色调频的 现在大部分的 PAL 电视机都能收看以上所有不同系统格式的 PAL 很多 PAL 电视机更能 同时收看基频的 NTSC M 例如电视游戏机 录影机等等的 NTSC 讯号 但是它们却不一 定可以接收 NTSC 广播 当影像讯号是以基频传送时 例如电视游戏机 录影机等等 便再没有以上所说 各种以 字母 区分广播格式的分别了 这情况下 PAL 的意思是指 625 条扫描线 每秒 25 格画 面 隔行扫描 PAL 色彩调频 对数码影像如 DVD 或 数码广播 制式亦没有分别 这情 况下 PAL 是指 625 条扫描线 每秒 25 格画面 隔行扫描 即是跟 SECAM 一模一样 英国 香港 澳门使用的是 PAL I 中国大陆使用的是 PAL D 新加坡使用的是 PAL B G 或 D K 电影一般是以每秒 24 格拍摄 电影在 PAL 制式电视播影时会以每秒 25 格播放 播放的 速度因而比电影院内或 NTSC 电视广播加快了 4 这种差别不太明显 但电影内的音乐 会因而变得高了一个半音 如果电视台在广播时没有加以调校补偿 小心聆听便会发现 NTSC 制式 NTSC 制式 又简称为 N 制 是 1952 年 12 月由美国国家电视标准委员会 National Television System Committee 缩写为 NTSC 制定的彩色电视广播标准 两大主要分支是 NTSC J 与 NTSC US 又名 NTSC U C 它属于同时制 每秒 60 1 001 场 扫描线为 525 隔行扫描 水平分辨率相当于 330 画 面比例为 4 3 这种制式的色度信号调制包括了平衡调制和正交调制两种 解决了彩色黑白电视广播兼容 问题 但存在相位容易失真 色彩不太稳定的缺点 美国 加拿大 墨西哥等大部分美洲国家以及台湾 日本 韩国 菲律宾等均采用这种制 式 香港部份电视公司也采用 NTSC 制式广播 另外 有人昵称 NTSC 为 Never The Same Color 不会出现一样的色彩 称 PAL 为 Perfect At Last 终于达到了完美 称 SECAM 为 System Essentially Contrary to American Method 本质上有别与美国的系统 或 Shows Every Color All Murky 把每一个颜色显示得 模糊 历史 美国国家电视系统委员会于 1940 年成立 隶属于美国联邦通讯委员会 FCC 成立目的是 为了解决各公司不同的电视制式的分歧 从而统一全国的电视传送制式 1941 年 3 月 委 员会就无线电制造协会于 1936 年建议 发布了关于黑白电视机技术标准 该标准较当时的 标准能提升更高的图像画质 NTSC 制式使用 525 条扫描线 较 RCA 公司使用的 441 线为 高 当时此标准已在 NBC 网络使用 另一方面 飞歌公司 DuMont 公司有意将扫描线提 升至 605 到 800 线之间 NTSC 标准同时建议了帧幅为每秒 30 帧 每帧由两场交错扫描线 组成 每场由 262 5 条线组成 每秒组成 60 场 委员会在最后建议中使用 4 3 画面比例 和使用 FM 调制伴音 在当时是崭新技术 1950 年 1 月 委员会职责改为为彩色电视制定标准化的标准 在 1953 年 12 月 该崭新的 电视制式名称直接使用该组织简写 就是今天所称的 NTSC 制式 后来又定义为 RS 170A 该彩色电视标准保留了与黑白电视机的兼容性 彩色信号加载在原黑白信号中的副载波中 4 5X455 572MHz 大约等于 3 58MHz 为了消除由彩色信号及伴音信号所产生的图像干扰 每秒帧幅由 30 帧稍微下调至 29 97 帧 同时线频由 15750Hz 稍微下降至 15734 26Hz 在彩色电视标准还没有统一时 当时美国本土的电视台 电器公司都有各自各的标准 其 中一种制式为哥伦比亚广播公司使用的制式 这标准不能与黑白电视相容 它使用彩色旋 转轮 因为技术所限 扫描线由官方标准 525 线下降至 405 线 但场频则由每秒 60 帧大 幅提升至每秒 144 帧 恰巧为 24 帧等效倍数值 1951 年 由于韩战 美国国防动员办公 室 ODM 限制广播 间接使各自的自家制式相继放弃 而 RCA 公司归功于法律诉讼成功 可以继续使用自家制式广播直至 1951 年 6 月 而哥伦比亚广播公司自家制式亦在 1953 年 3 月废止 同年 12 月 17 日由联邦通讯管理委员会的 NTSC 制式取代 世界上第一套使用 NTSC 彩色系统广播的电视节目为一出美国国家广播公司的电视剧 Kukla Franand Ollie 于 1953 年 8 月 30 日播映 但仅限于该电视台总部大楼内收看 而真正的第一套全国大气广 播的 NTSC 制式节目 为 1954 年元旦播映的 Tournament of Roses Parade 能在当时的实验 性试产电视上收看 世界上第一台 NTSC 制式彩色电视摄影机 为 RCA 公司于 1953 试产的 TK 40 型号 其改良 版 TK 40A 亦在 1954 年 3 月推出 是当时第一台商用彩色电视摄影机 同年下旬 改良型 TK 41 推出 成为广播业界标准摄影机 直至六十年代仍有电视台使用 NTSC 彩色电视标准后来被其他国家采用 包括众多美洲国家以及日本 在数位电视广播大 行其道的今天 传统 NTSC 广播制式将会逐渐淡出历史 自 2009 年开始 美国电视已经完 全实施数位化 再也没有电视节目使用 NTSC 制式播出 AV 端子 AV 端子 Composite video connector 又称复合端子 是家用影音电器用来传送类比视讯 如 NTSC PAL SECAM 的常见端子 AV 端子通常是黄色的 RCA 端子 另外配合两条红 色与白色的 RCA 端子传送音讯 欧洲的电视机通常以 SCART 端子取代 RCA 端子 不过 SCART 的设计上可以载送画质比 YUV 更好的 RGB 讯号 故也被用来连接显示器 电视游乐 器或 DVD 播放机 在专业应用当中 也有使用 BNC 端子以求获得更佳讯号品质 在 AV 端子中传送的是类比电视讯号的三个来源要素 Y U V 以及作为同步化基准的脉 冲信号 Y 代表影像的亮度 luminance 又称 brightness 并且包含了同步脉冲 只要有 Y 信号存在就可以看到黑白的电视影像 事实上 这是彩色电视与早期黑白电视相容的方 法 U 信号与 V 信号之间承载了颜色的资料 U 和 V 先被混合成一个信号中的两组正交相 位 此混合后的信号称为彩度 chrominance 再与 Y 信号作加总 因为 Y 是基频信号而 UV 是与载波混合在一起 所以这个加总的动作等同于分频多工 典型的复合视讯 AV 端子所传送的复合视讯可以借由简单地调变其载波来将其导引至任何一个电视机的频道 早期大多数的家用视讯装置都是使用复合视讯 例如镭射影碟就是完整的将复合视讯数位 化 VHS 录像带则是记录稍微修改过的复合视讯 这些播放装置大多数可以选择是直接输 出其记录的讯号 或者调变至特定的电视频道以供没有 AV 端子专属频道的早期电视机收 看 在 1980 年代早期 当时的个人电脑与电视游乐器通常也输出复合视讯 使用者必须使 用一台 RF 调变器来将其载波导向至电视的特定频道 在北美常为第 3 或第 4 频道 66 72Mhz 欧洲为 36 频道 日本日规第 1 或第 2 频道 90 102MHz 台湾则因当时 仅开放 1 7CH 即美规 VHF 7 13CH 但 7 12CH 被台视 中视 华视使用中 故仅剩第 13 频道 210 216MHz 可用 RF 调变器通常为外接盒形式 以免其电波影响电视机的运 作 不过 将复合讯号进行调变再让电视解调的结果 是引入更多的噪声 使得画质失真 所以 1980 年代后期 电视机开始提供直接的 AV 输入端口 并且将其与天线或有线电视所 传送的 RF 信号分开处理 使得 RF 调变器慢慢消失 虽然 RF 调变所造成的失真已经不再普遍 复合信号本身将 YUV 信号混合在一起的设计本 身就造成了画质上的减损 因为 加总之后的信号在数学上即无法完全分离回原来的样子 造成本来应该是亮度的信号被解释为彩度 反之亦然 既无法做到完全的亮色分离 表现 在画面上就是物件边缘渗色 彩虹化 或亮度不稳定 电视机制造厂商一方面改善影像处 理电路 如三次元 Y C 分离回路 来极力降低此等影响 另一方面也提出了 S 端子与色差 端子来根本解决以上问题 S 端子 S 端子 英语 S Video 或称 独立视讯端子 而当中的 S 是 Separate 的简称 也 称为 Y C 或误称为 S VHS 或 超级端子 Super Video 它是将视频数据分成两个单独 讯号 光亮度和色度 进行传送的模拟讯号 不像复合视频讯号 composite video 是将 所有讯号打包成一个整体进行传送 S 端子支援 480i 或 576i 分辨率 概述 a Y C 的合成讯号 b 是 S 端子的独立信号 S 端子的光亮度 Y greyscale 灰阶 讯号和调制色度 C colour 色彩 讯号由独立电线 或电线组传送 在合成视频 光亮度的讯号经由低通滤波器排除高频的色度讯号 因高频率的色度讯号及 光亮度讯号一部分是重叠的 而 S 端子把两种讯号分开 这种就不用把经由低通滤波器取 出光亮度的讯号 这样可以给予光亮度的讯号有更大的带宽 也解决了讯号重叠的问题 因此 受干扰的点阵讯号被排除 这表示 S 端子能从完整原先的影像讯号转送比合成讯号 更多的讯息 因此与合成影像相比 S 端子更有效使图像在低失真的情况下 原画再生 但是 影像讯号分离为亮度与色度两部分 因此 S 端子有时也被视为是一种合成影像讯号 但就品质上而言 S Video 是色差讯号中最差的一种 远不如其他更为复杂的色差影像讯号 如 RGB 或 YPbPr 但较之另外一种模拟信号复合视讯锐利 干扰较少 S Video 与这些 更高阶色差影像的差别在于 S Video 将色度的讯号合为一条讯号进行传送 因此色度的讯 号必须先经过编码 而且 NTSC PAL 或 SECAM 等影像讯号透过 S Video 进行传送时皆有不 同的编码方式 所以为了使讯号间达到完全相容性 必须兼顾 S Video 接头与色度编码方 式两者的相容性 编辑 连接器 目前 S Video 的讯号一般采用 4 接脚 pin 的 mini DIN 连接端子 终端阻抗须为 75 欧姆 除此之外与一般 mini DIN 线材无异 如 Apple 所使用之 ADB 当没有 S Video 专用线材时 这些 mini DIN 线材都可以当成 S Video 讯号传输之用 但画面品质可能没有原本的那样好 mini DIN 的接脚很脆弱且容易变形弯曲 进而造成色彩或其他讯号的损毁或遗失 变形弯 曲的接脚可以再将之调整为原本的形状 但此举亦可能造成更进一步的损伤或接脚断裂 在 mini DIN 接头标准化之前 S Video 讯号经常采用不同类型的接头 例如在 1980 年代 Commodore 64 家用电脑的时代 S Video 的输出线材大部分采用 8 针 DIN 的电脑端接头与 一对 RCA 的屏幕端接头 S Video 是笔记型电脑最常使用的影像输出端子 然而许多具有 S Video 输出的装置也都有复合 合成 输出端子 S Video 可以经由 SCART 接头传送 但因为它并不是 SCART 标准一部份 所以并非所有 的 SCART 兼容设备都支援 另外 在使用 SCART 时 S Video 和 RGB 只能使用其中一个 这是由于 S Video 实作所使用的针脚原本是分配给 RGB 的 1 GND 地线 Y 2 GND 地线 C 3 Y 亮度 Luminance 4 C 色度 Chrominance 分量接口 分量接口 英语 Component Video Connector 是把类比视讯中的明度 彩度 同步脉冲 分解开来各自传送的端子 它亦称为 YPBPR 概要 参见 AV 端子 早期电视信号的复合传送方式在数学上有着根本的限制 一旦明度与色度复合之后即无法 完全分离 因此 在 1980 年代后期 从专业用的视讯编辑应用当中开始出现了将明度与色 度分离记录与传送的系统 虽然系统设计上比起复合信号复杂许多 不过显示器与摄录像 机等装置其实本来就必须将明度与色度分开之后才能显示或记录 采用分量系统将可免除 互相复合与分离所造成的画质损失 因此 1990 年代中期开始也开始普及至家用电视上面 此外 在数位信号纪录与数位电视播送时所使用的数据压缩处理当中也使用了分量技术的 观念 所以在 DVD 播放器与机顶盒等产品上 分量输出是最自然且转换损失最少的传送端 子 分量传送的视频有许多种方式 例如将三原色直接传送的 RGB 方式 以及从 RGB 转换为明 度 Y 与色差 Cb Cr 或 Pb Pr 的方式 RGB 方式将所有的颜色信息作同等的处理 虽 然有最高的画质 但由于 RGB 方式对传输带宽和储存空间的消耗太大 为节省带宽 使用 色差方式来传送与记录分量视频是现在的主流 色差在设计上利用了 人眼对明度较敏感 而对色度较不敏感 的特性 将视讯中的色彩 信息加以削减 转换公式如下 明度 Y 0 299 R 0 587 G 0 114 B 色差 Cb 0 564 B Y 0 169 R 0 331 G 0 500 B Cr 0 713 R Y 0 500 R 0 419 G 0 081 B 所谓的 色差 即为颜色值与明度之间的差值 转换过后的颜色信息量被删减了约一半 但由于人眼的特性 使得色差处理过后的影像与原始影像的差异很难被察觉 最终的色差 数据与 RGB 数据相比节省了 1 3 的带宽 以上的转换系数被称为 色彩数组 上述的例子为 SDTV 所使用的数组 HDTV 所使用的 则是另一个不同的规格 如下述 明度 Y 0 2126 R 0 7152 G 0 0722 B 色差 Pb 0 5389 B Y 0 1146 R 0 3854 G 0 5000 B Pr 0 6350 R Y 0 5000 R 0 4542 G 0 0458 B 跟 SDTV 不一样的地方是 各自做为基准的三原色的 CIE 色度坐标不一样 因为这样 所以 SDTV 用的规格将色差讯号以 CB CR 来称呼 HDTV 的话是以 PB PR 来称呼 上 记的三原色讯号虽然是以伽玛修正后得到的 但是伽玛修正特性跟哪一个都是一样的 还 有 基准白色的 CIE 色度坐标是两者都一样的 编辑 分量接口影像讯号的规格 为了要将影像进行储存 编辑 以及传送 将之以统一格式处理 避免传输过程中有所改 变而造成画质下降 因此规范了分量接口影像讯号规格 编辑 ITU R BT 601 旧名称为 CCIR 601 国际电信联盟 ITU 所制订的标准规格 为现今标准电视放送规格标 准 对应 NTSC 525 60 与 PAL 扫描线 625 50 对应 4 3 和 16 9 纵横比画面 虽然色彩 成份为 RGB 4 4 4 跟色差 YCbCr 4 2 2 为既订的 但是 这里记录的是作为广播放送用的一 般的色差方式 组成成分 明度 Y 色差 Cb 及 Cr 取样频率 13 5MHz Y 和 6 75MHz Cb Cr 取样方法 4 2 2 色差 Cb 与 Cr 取样频率都只有明度取样频率的一半 Y Cb Cr 4 2 2 量化位元数 标准 8bit 扩充 10bit 这种规格的机器通常可连接 serial digital interface SDI 规格 SMPTE 259M 为标准的接口 为了跟 HDTV 有所区别又称 SD SDI 编辑 BTA S 001B 由日本电波产业会 ARIB 所规范的 1125 60HDTV 对应 ITU 的国际规格 ITU R BT 709 3 PartII 由于 RGB 和色差 YPbPr 分别订在 4 4 4 4 2 2 在这里我们将之以一般播放的色 差方式表示 组成成分 明度 Y 色差 Pb 及 Pr 取样频率 74 25MHz Y 及 37 125MHz Pb Pr 取样方式 4 2 2 色差 Pb Pr 的取样频率为明度的一半 量化位元数 8bit 及 10bit S 002B 规范 此规格的机器可连接并列 BTA S 002B 及串行规格 BTA S 004B SMPTE 292M 的接口 后者为了与 SDTV 做区分 称为 HD SDI 此外 也有供 BETACAM 用的类比色差方式 VGA 接口 视频图形阵列 英语 Video Graphics Array 简称 VGA 是 IBM 于 1987 年提出的一个使用 模拟信号的电脑显示标准 这个标准已对于现今的个人电脑市场已经十分过时 即使如此 VGA 仍然是最多制造商所共同支持的一个标准 个人电脑在加载自己的独特驱动程序之前 都必须支持 VGA 的标准 例如 微软 Windows 系列产品的开机画面仍然使用 VGA 显示模 式 这也说明其分辨率和载色数的不足 VGA 这个术语常常不论其图形设备 而直接用于指称 640 480 的分辨率 VGA 设备可以 同时存储 4 个完整的 EGA 色版 并且它们之间可以快速转换 在画面上看起来就像是实时 的变色 1 在色版上 VGA 除了扩充为 256 色的 EGA 式色版外 这 256 种颜色是可以改变的 可以通 过 VGA DAC 任意的指定为任何一种颜色 这就程度上改变了原本 EGA 的色版规则 因为 在 CGA 上 只有 16 种无法改的色彩 在 EGA 上虽然仍只能显示 16 种色彩 但这 16 种色 彩其实是从 64 彩色盘中挑选出的 EGA 分配给每个色频 RGB 两个位 22 4 种变化 43 个色频 64 种色彩 而 VGA 在指定色版颜色时 一个颜色频道有 6 个 bit 红 绿 蓝各有 64 种不同的变化 因此总共有 262 144 种颜色 在这其中的任何 256 种颜色可以被选为 色版颜色 而这 256 种的任何 16 种可以用来显示 CGA 模式的色彩 这个方法最终仍然使了 VGA 模式在显示 EGA 和 CGA 模式时 能够使用前所未有的色彩 因为 VGA 是使用模拟的方式来绘出 EGA 和 CGA 画面 提供一个色版转换的例子 要把文 字模式的字符颜色设置为暗红色 暗红色就必须是 CGA 16 色集合中的一种颜色 譬如说 取代 CGA 默认的 7 号灰色 这个 7 号位置将被指定为 EGA 色版中的 42 号 然后 VGA DAC 将 EGA 42 指定为暗红色 则画面上的原本的 CGA 七号灰色 都会变成暗红色 这个技巧在 256 色的 VGA DOS 游戏中 常常被用来表示加载游戏的淡入淡出画面 总结来说 CGA 和 EGA 同时只能显示 16 种色彩 不过 EGA 有更多色盘可用 而 VGA 不但兼容于 CGA 或 EGA 模式 更可以使用 Mode 13h 模式一次显示 256 色版中的所有 色彩 而这 256 种颜色是从 262 144 种颜色 18 bit 中挑出的 引脚 1 红 Red 引脚 2 绿 Green 引脚 3 蓝 Blue 引脚 4 ID Bit 引脚 5 N C 引脚 6 红 接地端 R GND 引脚 7 绿 接地端 G GND 引脚 8 蓝 接地端 B GND 引脚 9 无针脚 保留 No Pin 引脚 10 接地端 GND 引脚 11 ID Bit 引脚 12 ID Bit 引脚 13 水平同步 H Sync 引脚 14 垂直同步 V Sync 引脚 15 N C DVI 接口 DVI 的英文全名为 Digital Visual Interface 中文称为 数字视频接口 是一种视频接口标 准 设计的目标是通过数字化的传送来强化个人电脑显示器的画面品质 目前广泛应用于 LCD 数字投影机等显示设备上 此标准由显示业界数家领导厂商所组成的论坛 数字 显示工作小组 Digital Display Working Group DDWG 制订 DVI 接口可以传送未压缩的 数字视频数据到显示设备 本规格部分兼容于 HDMI 标准 概要 DVI 接口的协议会使得像素的亮度与色彩信号从信号来源 如显卡 以二进制方式传送到 显示设备 当显示设备以其本地分辨率被驱动时 仅需读取 DVI 传来的每个像素的数值数 据并且套用到正确的位置即可 相对于模拟方式传送的像素数据会受到邻接像素数据以及 电磁噪声以及其他的模拟有损影响 在此方法中 输出端暂存器中的每个像素都直接对应 显示端的每个像素 使得画面品质有基本的保障 在此之前以模拟方式传送视频数据的标准 如 VGA 是为了以显像管 阴极射线管 为基础 的显示设备而设计 传送的单位是水平扫描线 因此并未使用数字化的离散信号 模拟传 送的视频信号是以变更输出电压来控制扫描中的电子流束的密度 并借此来表现亮度以及 彩度 然而当 LCD 等数字化的显示设备开始实用化之后 以模拟方式传送信号至数字显示设备时 该设备必须以特定频率将扫描线信号取样再转换回数字格式 若取样出现误差就会使得画 面品质劣化 且当信号来源为电脑时 显卡将数字的画面信号转换为模拟输出 再被 LCD 显示器转换回数字画面的流程显然是多余的 因此 DVI 也随着 LCD 显示器成为主流而被广 泛使用 编辑 技术导论 DVI 的数据格式来自于半导体厂商 Silicon Image 公司所发展的 PanelLink 技术 此技术最早 应用于笔记本电脑 并使用了最小化转移差动信号 Transition Minimized Differential Signaling TMDS 技术来确保高速串行数据传送的稳定性 一个 单炼结 Single Link DVI 通道包括了四条双绞缆线 红 绿 蓝 时钟频率信号 每个像素数据量为 24 位 信号 的时序与 VGA 极为类似 画面是以逐行的方式被传送 并在每一行与每祯画面传送完毕后 加入一个特定的空白时间 类似模拟扫描线 并没有将数据分组化 也不会只更新前后画 面改变的部分 每张画面在该更新时都会被完整的重新传送 单炼结 DVI 最大可传送的分辨率为 2 6 百万像素 每秒钟更新 60 次 新版的 DVI 规格中提 供一组额外的 DVI 炼结通道 当两组炼结一起使用时可以提供额外的传送带宽 称为双炼 结 Dual link DVI 运作模式 DVI 规格中规定以 165MHz 的带宽为界 当显示模式需求低 于此带宽时应只使用单炼结运作 以上则应自动切换为双炼结 另外第二组炼结也可作为 传送超过 24 位的像素色彩数据使用 另外 DVI 接头内也如同 VGA 接口一样备有 DDC 2 协议的脚位以便显卡能读取屏幕的 EDID 延伸显示能力识别 数据 藉以帮助显卡决定其可能的输出分辨率 引脚 1 TMDS Data 2 Digital red Link 1 引脚 2 TMDS Data 2 Digital red Link 1 引脚 3 TMDS Data 2 4 shield 引脚 4 TMDS Data 4 Digital green Link 2 引脚 5 TMDS Data 4 Digital green Link 2 引脚 6 DDC clock 引脚 7 DDC data 引脚 8 Analog vertical sync 引脚 9 TMDS Data 1 Digital green Link 1 引脚 10 TMDS Data 1 Digital green Link 1 引脚 11 TMDS Data 1 3 shield 引脚 12 TMDS Data 3 Digital blue Link 2 引脚 13 TMDS Data 3 Digital blue Link 2 引脚 14 5V Power for monitor when in standby 引脚 15 Ground Return for pin 14 and analog sync 引脚 16 Hot plug detect 引脚 17 TMDS data 0 Digital blue Link 1 and digital sync 引脚 18 TMDS data 0 Digital blue Link 1 and digital sync 引脚 19 TMDS data 0 5 shield 引脚 20 TMDS data 5 Digital red Link 2 引脚 21 TMDS data 5 Digital red Link 2 引脚 22 TMDS clock shield 引脚 23 TMDS clock Digital clock Links 1 and 2 引脚 24 TMDS clock Digital clock Links 1 and 2 C1 Analog red C2 Analog green C3 Analog blue C4 Analog horizontal sync C5 Analog ground Return for R G and B signals HDMI 接口 高清晰度多媒体界面 英语 High Definition Multimedia Interface 简称 HDMI 是一种全数 字化图像和声音传送接口 可以传送无压缩的音频信号及视频信号 HDMI 可用于机顶盒 DVD 播放机 个人电脑 电视游乐器 综合扩大机 数字音响与电视机 HDMI 可以同时 传送音频和影音信号 由于音频和视频信号采用同一条电缆 大大简化了系统的安装 HDMI 是被设计来取代较旧的模拟影音传送接口如 SCART 或 RCA 等端子的 它支持各类电 视与电脑图像格式 包括 SDTV HDTV 视频画面 再加上多声道数字音频 在传送时 各 种视频数据将被 HDMI 收发芯片以 Transition Minimized Differential Signaling TMDS 技 术编码成数据分组 规格初制订时其最大像素传输率为 165Mpx sec 足以支持 1080p 画质 每秒 60 张画面 或者 UXGA 分辨率 1600 x1200 后来在 HDMI 1 3 规格中扩增为 340Mpx sec 以符合未来可能的需求 HDMI 也支持非压缩的 8 声道数字音频传送 采样率 192kHz 数据长度 24bits sample 以 及任何压缩音频流如 Dolby Digital 或 DTS 亦支持 SACD 所使用的 8 声道的 1bit DSD 信号 在 HDMI 1 3 规格中 又追加了超高数据量的非压缩音频流如 Dolby TrueHD 与 DTS HD 的支 持 标准的 Type A HDMI 接头有 19 个脚位 另有一种支持更高分辨率的 Type B 接头被定义出 来 但目前仍无任何厂商使用 Type B 接头 Type B 接头有 29 个脚位 容许其传送扩张的 视频通道以应付未来的高画质需求 如 WQSXGA 3200 x2048 Type A HDMI 可向下兼容于现今多数显示器与显卡所使用的 Single link DVI D 或 DVI I 接口 但不支持 DVI A 这表示采用 DVI D 接口的信号来源可以通过转换线驱动 HDMI 屏幕 但是此种转换方案并不支持音频传送与遥控机能 此外 如无 HDCP 认证的 DVI 屏幕也将 不能收看从 HDMI 所输出带有 HDCP 加密保护的视频数据 所有 HDMI 屏幕皆支持 HDCP 但大多数 DVI 接口的显示器不支持 HDCP Type B HDMI 接头也将向下兼容于 Dual link DVI 接口 HDMI 组织的发起者包括各大消费电子产品制造商 如日立制作所 松下电器 Quasar 飞 利浦 索尼 汤姆生 RCA 东芝 Silicon Image 数字内容保护公司 Digital Content Protection LLC 1 提供 HDMI 接口相关的防拷保护技术 此外 HDMI 也受到各主要电影 制作公司如 20 世纪福斯 华纳兄弟 迪士尼 包括三星电子在内的各大消费电子产品制造 商 以及多家有线电视系统业者的支持 TMDS 通道 传送音频 视频 以及各种辅助数据 信号编码方式 遵循 DVI 1 0 规格 Single link Type A HDMI or dual link Type B HDMI 视频像素带宽 从 25 MHz 到 340 MHz Type A HDMI 1 3 或至 680 MHz Type B 带 宽低于 25MHz 的视频信号如 NTSC 480i 将以倍频方式输出 每个像素的容许数据量从 24 位 至 48 位 支持每秒 120 张画面 1080p 分辨率画面传送以及 WQSXGA 分辨率 1 像素编码方式 RGB 4 4 4 YCbCr 4 4 4 8 16 bits per component YCbCr 4 2 2 12 bits per component 音频采样率 32 kHz 44 1 kHz 48 kHz 88 2 kHz 96 kHz 176 4 kHz 192 kHz 音频声道数量 最大 8 声道 音频流规格 IEC61937 兼容流 包括高流量无损信号如 Dolby TrueHD DTS HD Master Audio 编辑 DDC 通道 DDC 全文为 Display Data Channel 传送端与接收端可利用 DDC 通道得知彼此的传送与接收能力 但 HDMI 仅需单向获 知接收端 显示器 的能力 使用 100kHz 时钟频率的 I C 信号 传送数据结构为 VES