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2.9ASI接口26

第三章彩色视频信号的处理及制式27

3.1视频常用术语27

3.2数字视频标准31

3.2.1NTSC制32

3.2.2PAL制33

3.2.3SECAM制式35

第四章电视机和录像机的输入输出信号36

4.1电视机的输入输出信号36

4.2录像机分类及输入输出信号37

4.3电视信号数字化37

4.3.1数字视频的采样格式38

第五章视频矩阵基础38

5.1视频矩阵38

5.1.1视频矩阵的基本概念38

5.1.2矩阵切换的原理与技术指标39

5.1.2视频矩阵的分类40

5.2数字视频矩阵40

5.2.1数字视频矩阵的分类40

5.2.2数字视频矩阵优势分析42

第一章三原色及显示器原理

1.1什么是三原色

红、绿、蓝颜色被称为三原色，各三原色相互独立，其中任一种基色是不能由另外两种基色混合而得到，但它们相互以不同的比例混合，就可以得到不同的颜色，例如大家都很熟悉的红色和绿色合成黄色。

自然界的众多色彩中，人的眼睛对红、绿、蓝三种颜色反应最灵敏，而且它们的配色范围比较广，用这三种颜色可以随意配出自然界中的大部分颜色，因此在CRT显示器中，选用红、绿、蓝三种颜色作为三原色，分别用R、G、B三个字母来表示。

1.1.1色彩的形成

在中学的物理课中我们可能做过棱镜的试验，白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。

其中人眼对红、绿、蓝最为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。

同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。

这是色度学的最基本原理，即三基色原理。

三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。

红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。

红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。

　红色+绿色=黄色

绿色+蓝色=青色

红色+蓝色=品红

红色+绿色+蓝色=白色

黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成，所以它们又称相加二次色。

另外：

　　红色+青色=白色

绿色+品红=白色

蓝色+黄色=白色

所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。

由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受有不同，所以，如果我们用相同强度的三基色混合时，假设得到白光的强度为100%，这时候人的主观感受是，绿光最亮，红光次之，蓝光最弱。

除了相加混色法之外还有相减混色法。

在白光照射下，青色颜料能吸收红色而反射青色，黄色颜料吸收蓝色而反射黄色，品红颜料吸收绿色而反射品红。

也就是：

白色-红色=青色

白色-绿色=品红

白色-蓝色=黄色

另外，如果把青色和黄色两种颜料混合，在白光照射下，由于颜料吸收了红色和蓝色，而反射了绿色，对于颜料的混合我们表示如下：

颜料（黄色+青色）=白色-红色-蓝色=绿色

颜料（品红+青色）=白色-红色-绿色=蓝色

颜料（黄色+品红）=白色-绿色-蓝色=红色

以上的都是相减混色,相减混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的颜色的。

所以有把青色、品红、黄色称为颜料三基色。

颜料三基色的混色在绘画、印刷中得到广泛应用。

在颜料三基色中，红绿蓝三色被称为相减二次色或颜料二次色。

在相减二次色中有：

（青色+黄色+品红）=白色-红色-蓝色-绿色=黑色

1.1.2配色方程

配色方程：

F=R[R]+G[G]+B[B]

R、G、B为三色系数;

[R]、[G]、[B]为基色单位。

1.1.3亮度方程

亮度方程：

Y=0.3R+0.59G+0.11B

1.2什么是CRT

CRT显示器（学名为“阴极射线显像管”）是就是这样一种装置，它主要由电子枪（Electrongun）、偏转线圈（Deflectioncoils）、荫罩（Shadowmask）、荧光粉层（phosphor）和玻璃外壳五部分组成。

其中我们印象最深的肯定是玻璃外壳，也可以叫做荧光屏，因为它的内表面可以显示丰富的色彩图像和清晰的文字。

CRT显示器是怎样将三原色原理用在其中的呢？

当然，并不是直接将这三原色画在荧光屏上，而是用电子束来进行控制和表现的。

1.2.1电子枪是如何工作的

这首先有赖于荧光粉层，在荧光屏上涂满了按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光粉单元各一个为一组，学名称之为像素。

每个像素中都拥有红、绿、蓝（R、G、B）三原色，根据我们刚才所说的三原色理论，这就有了形成千变万化色彩的基础。

然而，怎样把这三原色混合成丰富的色彩呢？

电子枪（Electrongun）工作原理是由灯丝加热阴极，阴极发射电子，然后在加速极电场的作用下，经聚焦极聚成很细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。

这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。

为此，电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，它们分别受电脑显卡R、G、B三个基色视频信号电压的控制，去轰击各自的荧光粉单元。

受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。

根据空间混色法（将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法）产生丰富的色彩，这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。

用这种方法可以产生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

很显然，像素越多，图像越清晰、细腻，也就更逼真。

1.2.2画面是如何形成的

原理是利用了人们眼睛的视觉残留特性和荧光粉的余辉作用，这就是我们即使只有一支电子枪，只要我们的三支电子束可以足够快地向所有排列整齐的像素进行激发，我们还是可以看到一幅完整的图像的。

要形成非常高速的扫描动作，我们还需要偏转线圈（Deflectioncoils）的帮助，通过它，我们可以使显像管内的电子束以一定的顺序，周期性地轰击每个像素，使每个像素都发光，而且只要这个周期足够短，也就是说对某个像素而言电子束的轰击频率足够高，我们就会看到一幅完整的图像。

我们把这种电子束有规律的周期性运动叫扫描运动。

1.2.3显示器的扫描方式

通常实现扫描的方式很多，如直线式扫描，圆形扫描，螺旋扫描等等。

其中，直线式扫描又可分为逐行扫描和隔行扫描两种，相信大家都经常听到，事实上，在CRT显示系统中两种都有采用。

逐行扫描是电子束在屏幕上一行紧接一行从左到右的扫描方式，是比较先进的一种方式。

而隔行扫描中，一张图像的扫描不是在一个场周期中完成的，而是由两个场周期完成的。

在前一个场周期扫描所有奇数行，称为奇数场扫描，在后一个场周期扫描所有偶数行，称为偶数场扫描。

无论是逐行扫描还是隔行扫描，为了完成对整个屏幕的扫描，扫描线并不是完全水平的，而是稍微倾斜的，为此电子束既要作水平方向的运动，又要作垂直方向的运动。

前者形成一行的扫描，称为行扫描，后者形成一幅画面的扫描，称为场扫描。

有了扫描，就可以形成画面，然而在扫描的过程中，怎样可以保证三支电子束准确击中每一个像素呢？

这就要借助于荫罩（Shadowmask），它的位置大概在荧光屏后面（从荧光屏正面看）约10mm处，厚度约为0.15mm的薄金属障板，它上面有很多小孔或细槽，它们和同一组的荧光粉单元即像素相对应。

三支电子束经过小孔或细槽后只能击中同一像素中的对应荧光粉单元，因此能够保证彩色的纯正和正确的会聚，所以我们才可以看到清晰的图像。

至于画面的连续感，则是由场扫描的速度来决定的，场扫描越快，形成的单一图像越多，画面就越流畅。

而每秒钟可以进行多少次场扫描通常是衡量画面质量的标准，我们通常用帧频或场频（单位为Hz，赫兹）来表示，帧频越大，图像越有连续感。

我们知道，24Hz场频是保证对图像活动内容的连续感觉，48Hz场频是保证图像显示没有闪烁的感觉，这两个条件同时满足，才能显示效果良好的图像。

其实，这就跟动画片的形成原理是相似的，一张张的图片快速闪过人的眼睛，就形成连续的画面，就变成动画。

1.3CRT显示器工作原理

单色显示器的单色显像管只能显示一种颜色，但可有灰度等级，也就是亮度层次，如对于黑白显像管，除了可以显示黑色和白色外，还可以显示黑色同白色之间的各级灰色。

由于电子束的强弱是受电脑显示卡送来的视频信号控制的，电子束强，像素发的光就亮一些；

电子束弱，像素发的光就暗一些，因此每个像素发光的亮暗程度是不同的。

这样，大量的亮暗程度不同的像素聚合在一起就会形成一幅图像或文字。

1.3.1显示器是如何显示图像的

无论是单色显示器或者是彩色显示器，其工作原理大概是相同的，电脑里面有一块板卡和显示器相连接，那就是显示卡，它主要接受CPU的控制和送来的信息进行加工处理。

显示卡在主机外部有个接口，通过电缆和显示器相连。

显示卡把主机以二进制输出的数字信息变为显示器能够处理的视频信号、同时再加入行频、场频同步信号或其它控制信号，然后通过数据线转送到CRT显示器的内部电路中，这主要包括场扫描电路、行扫描电路、视频放大及显像管附属电路、显示器电源电路。

其中场扫描电路和行扫描电路是控制电子枪扫描荧光屏像素的形式，保证准确击中每一个像素。

而视频放大及显像管附属电路主要是用于对视频信息进行再加工以形成图像，至于显示器的电源电路，就是提供显示器稳定的电源供应的设备。

这样，由显示卡送过来的数据经过处理，再由显示器中的电子枪（Electrongun）、偏转线圈（Deflectioncoils）、荫罩（Shadowmask）、荧光粉层（phosphor）和荧光屏来显示出图像或者文本，这就是我们在显示器中看到的画面形成的全过程。

1.3.2显示器常用的显示模式

彩色显示器分为CGA,EGA,VGA,SVGA,TVGA,XGA等VGA的英文全称是VideoGraphicArray，即显示绘图阵列。

VGA支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色.肉眼对颜色的敏感远大于分辨率，所以即使分辨率较低图像依然生动鲜明。

VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation，视频电子标准协会）的SuperVGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。

不管是VGA还是SVGA，使用的连线都是15针的梯形插头，传输模拟信号。

典型的IBM指标是：

CVGA为320×

200和8色，EGA为640×

350和16色，VGA为640×

480，SVGA为800×

600、XGA1024×

768、SXGA1280×

1024和TVGA1600×

1200等。

目前的显示都采用VGA以上的显示模式，它们的同屏彩色数可在16、256、16K、32K、64K、16M（所谓真彩色）直到4G中选择。

显示规格

显示分辨率

CGA

640X200

MGA

720X350

EGA

640X350

MCGA

640X480

VGA

SVGA

800X600

XGA

1024X768

SXGA

1280X1024

WXGA

1280X800

WXGA+

1280X854

WXSGA+

1366X768

SXGA+

1400X1050

UXGA

1600X1200

WSXGA+

1680X1050

WUXGA

1920X1200

QXGA

2048X1536

QSXGAW

2560X1600

QSXGA

2560X2048

QUXGAW

3400X2400

1.4液晶显示器成像原理

液晶显示器,即LCD（LiquidCrystalDIS）显示器是以电流刺激液晶分子的方式产生点、线、面配合背部灯管构成画面。

和传统的阴极射线管（CRT）显示器相比，它的体积小，节省空间；

不产生高温，属于低耗电产品；

辐射低，由于显示原理不同，和CRT显示器相比它产生的辐射可以忽略不计；

画面柔和，画面不会闪烁，降低眼睛的疲劳。

液晶面板的成像原理

TN型面板材用的液晶分子示意图

光线穿过液晶层旋转90度的光学示意图

首先,液晶本身并不具备任何颜色，也不会发光，常温下只是粘糊糊的半液体罢了。

液晶的分子很像一根木棒，当给液晶施以一定电压时，它的分子会旋转一定角度。

这种特性非常有用，它能让光线改变原来的方向，即横向的光射入液晶后，会改变90度出来，液晶显示器的显示基础就在这里。

另外，对液晶施入的电压不同，液晶分子的旋转角度也会不同，利用这条性质可以起到控制光线强度的作用。

一个完整的液晶显示器示意图

液晶面板的结构很像汉堡包，液晶夹在两个相互呈90度角的偏光板中间，偏光板和百叶窗结构类似，都只能允许一个方向的光线进入。

光线从后面的背光板射入，先经过第一层偏光板，偏光板只让一个方向的光线进入，然后光线经过液晶层，偏转90度后，正好能通过第2层偏光板，不过这还不算完。

彩色滤光膜示意图

由于液晶本身没有色彩，所以人们在液晶射出的方向增加了一层彩色滤光膜，薄膜上有很多红、绿、蓝三原色像素。

光线受液晶分子的控制，透过每个像素的光线强度也不同，三原色通过混合才得到我们所需要的色彩。

液晶显示彩色的原理总结为一句话，就是背光板上对应每个象素点的位置都有三条分别只透红绿蓝光的滤光条带，每个象素的每个条带处都有独立的电路驱动对应位置的液晶分子转动，从而不同亮度的红绿蓝三色光混合，使人眼感受到各种颜色。

1.5点阵LED显示原理

LED显示屏的构成

在LED显示系统中，点阵结构单元为其基本构成。

每个显示驱动单元又是若干个8*8点阵的LED显示模块组成。

通过多个显示驱动板拼装在一起，构成一个数平方米的显示屏，能用来显示各种文字、图像。

LED显示屏包括计算机视频采集电路、控制电路、驱动电路及电源，如图3-1所示。

图3-1LED显示屏结构

LED显示屏具有红、绿两种基色，每基色256级灰度，像素节距为7.62mm，像素在水平方向可达成1024点，垂直方向可达成768点。

LED电子显示屏特点

LED显示屏是由若干个显示单元拼接而成的，其显示方式采用LED点阵与计算机显示器屏幕相映射的原理，即LED点阵的一个像素点对应着计算机显示屏的一个像素点，例如计算机屏幕上的画面按分辨率分为640列、480行，即LED显示屏上640*480个点阵单元，每个点阵单元又包括红、绿、蓝三种发光二极管，这三种发光二极管发出三种颜色的光混色后得到人眼所感觉到颜色，根据光学三基色原理，我们只采集计算机屏幕上的每一点的图像进行数字化并分解为红、绿、蓝三种信号，经过系统处理后，传递到LED点阵屏幕上的点阵单元中，分别驱动相对颜色的发光二极管，即实现了计算机屏幕在LED点阵屏幕上的映射。

LED电子显示屏原理

点阵LED显示器的结构和原理与七段LED数码显示器是一样的，均由发光二极管组成，但两者的排列结构不同。

点阵LED显示器是由发光二极管组成的阵列。

显示接口可采用静态驱动和动态扫描驱动等驱动方式。

但点阵式LED显示器通常用在大面积汉字或图形显示的场合，因为点阵数很多，所以连接线也很多，如果采用静态驱动的方式，连线将会很复杂，硬件的成本将增加。

因此通常采用的是动态扫描的驱动方式。

点阵式LED显示器通常都做成8×

8点阵或16×

16点阵模块，使用较为方便，如图3-2所示。

图3-2（8×

8）点阵LED显示模块结构原理及引脚图

第二章视频信号常用接口

视频信号：

是指电视信号、静止图象信号和可视电视图象信号。

对于视频信号可支持三种制式：

NTSC、PAL、SECAM。

2.1VGA接口

VGA（VideoGraphicsArray）是IBM在1987年随PS／2机一起推出的一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用。

VGA（D-SUB）：

俗称VGA（VideoGraphicsAdapter）接口。

VGA接口采用非对称分布的15pin连接方式，VGA最早指的是显示器640X480这种显示模式，VGA的英文全称是VideoGraphicArray，也叫显示绘图阵列。

VGA支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色。

在VGA基础上加以扩充，使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA（VideoElectronicsStandardsAssociation，视频电子标准协会）的SuperVGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式VGA接口就是显卡上输出模拟信号的接口，也叫D-Sub接口，传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号（水平和垂直信号）。

工作原理：

计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。

对于模拟显示设备，如模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。

而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号,在经过D/A和A/D2次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。

使用VGA连接设备，线缆长度最好不要超过10米，而且要注意接头是否安装牢固，否则可能引起图像中出现虚影。

VGA的显示

通用VGA显示卡系统主要由控制电路、显示缓存区和视频BIOS程序三个部分组成。

控制电路如图1所示。

控制电路主要完成时序发生、显示缓冲区数据操作、主时钟选择和D／A转换等功能；

显示缓冲区提供显示数据缓存空间；

视频BIOS作为控制程序固化在显示卡的ROM中。

VGA显示硬件结构

54321

109876

1514131211

这是一种模拟信号接口，总共有15只针脚，除了第9只针脚没有作用外，其余14只针脚各负责传递独立的模拟信号，1红基色red　2绿基色green　3蓝基色blue　4地址码IDBit　5自测试（各家定义不同）　6红地　7绿地　8蓝地　9保留（各家定义不同）　10数字地　11地址码　12地址码　13行同步　14场同步　15地址码（各家定义不同）包括：

CRT显示器所需要的红、绿、蓝三色信号，垂直同步、水平同步信号和用来同显示器通讯的串行数据和串行时钟信号。

96年以后的彩显中还增加入DDC数据分量，用于读取显示器EPROM中记载的有关彩显品牌、型号、生产日期、序列号、指标参数等信息内容，以实现WINDOWS所要求的PnP（即插即用）功能。

几乎所有的CRT都有这种接口。

2.2DVI输入接口

DVI全称为DigitalVisualInterface，它是1999年由SiliconImage、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成DDWG（DigitalDisplayWorkingGroup，数字显示工作组）推出的接口标准。

它是以SiliconImage公司的PanalLink接口技术为基础，基于TMDS（TransitionMinimizedDifferentialSignaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。

TMDS（TransitionMinimizedDifferentialSignaling，最小化传输差分信号）是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。

显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。

一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。

传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上；

而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。

采用DVI接口标准的优点

一、速度快

DVI信号的原理，是将显卡中经过处理的待显示R.G.B数字信号与H.V信号进行组合，按最小非归零编码，将每个像素点按10hit的数字信号进行并→串转换，把编码后的R.G..B数字流与像素时钟等4组信号按照T.M.D.S.方式进行传输，其每路码流速率为原像素点时钟的10倍，以1024×

768×

70的分辨率为例，像素时钟为75MHZ，码流时钟为75MHz×

10,为0.75GHZ。

一般DVI的码流在0.24GHZ到1.65GHZ之间。

DVI传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减少了数字→模拟→数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使用DVI进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。

目前DVI系统的规格已经比较成熟了：

显卡产生的数字信号（包括控制信息和数据信息）由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道（至少要包含4条数据线：

RGB三种信号和时钟信号）发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。

由于TMDS协议本身就是SiliconImage制定的算法，因此SiliconImage制造的发送器和接收器自然是最佳选择。

根据DVI标准，一条TMDS通道可以达到165MHz的工作频率和10-bit接口，也就是可以提供1.65Gbps的带宽，这足以应付1920*1080/60Hz的显示要求。

另外，为了扩充兼容性，DVI还可以使用第二条TMDS通道（就像原理图中一样），不过其工作频率必须与另一条同步——比如说我们需要2Gbps的带宽，那么两条通道都要工作于100MHz上面（100MHz*2*10-bits）。

在两个TMDS通道的情况下，标准则允许更大的带宽。

双连接的DVI显卡可以支持最大330MHz的带宽，这样可以轻松实现每个象素8bit数据，2048×

1536分辨率。

一块带有两个DVI通道的显卡具有2个TMDS传送器和2个DVI接口，这两个接口可以用来驱动两个不同的数字显示器。

当然，用户也可以选择只驱动一个显示器，这样就可以获得更高的单通道带宽驱动高分辨率的画面（比如ViewSonic的VP2