常用视频信号接口与处理方法总结.docx

1、常用视频信号接口与处理方法总结常用视频信号接口与处理方法总结刘学满 2010-4-13视频接口概述视频接口，从颜色空间、数字 /模拟、分离 /复合（适用于模拟信号） 、并行 /串行（适用于数字信号）单端/ 差分等类别可以分为如下几种，见下表：信号类型颜色空间数字/模拟分离 / 复合并行 / 串行特征支持的分辨率VGARGB模拟RGB分离HS,VS分离RGB峰值 0.7V （带 75负载） HS、 VS为 TTL/LVTTL 电平 连接器为 DB15VESA640*4001920*1200R，SOG，BRGB模拟R,G,B 分离， 复合同步 CS与 G 信 号复合R,B 信号同 VGA， SOG

2、 信 号 峰 值 为 1.0V（ -0.3V0.7V ） （带负载） 连接器为 RCA/BNC同 VGA差分 RGBRGB模拟RGB分离HS,VS分离RGB差分信号， 差分电压 连接器通常为 DB15同 VGASDTV/HDTVR GBR GB模拟R GB 分离SOG黑电平为 0.3V 白电平为 1.0V 同步电压 （带 75负载） 连接器为 RCA/BNC480i/p576i/p1080i/pSDTV/HDTVYPbPrYUV模拟Y Pb Pr 分离Y 峰值 1.0V ， 黑电平为 0.3V CbCr 峰 值 0.7V （ 0.3V1.0V ） （带 75负载） 连接器为 RCA/BNC48

3、0i/p576i/p1080i/pCVBS (PAL,NTSC, SECAM等)YUV模拟Y/C复合峰值 1.0V（带 75负载） 连接器为 RCA/BNC480i576iS-VideoYUV模拟Y/C分离CS复合在 YCbCr 复合为 CY 峰值 1.0VC 峰值 0.7V （带 75负载） 连接器为 RCA/BNC480i576i18bit/24bit 数 字 RGBRGB数字RGB,HS,VS,DE分离并行TTL/LVTTL 电平 传输距离较短 IC 间连接或者板卡 间连接同 VGAOpen-LDI （LVDS）RGB数字RGB， HS，VS,DE 复 合在 A2 通道7bit 转串 行

4、LVDS电平，双绞线 支持长距离传输 无校验位 设备间连接或者板 卡到液晶屏，无规 定的连接器双通道可 支持更高 的分辨率DVIRGB数字复合10bit 转串 行TMDS电平，双绞线 支持长距离传输 有校验位 设备间连接，有标 准连接器双通道可 支持更高 的分辨率HDMIYCbCr数字复合10bit 转串 行TMDS电平，双绞线 支持长距离传输 有校验位BT.601（ 并行 ）YCbCr数字YCbCr分离24bit 并行TTL/LVTTL 电平 13.5MHz 4:4:4 传输距离较短 IC 间连接BT.656（ 并行 ）YCbCr数字复合在 8bit/10bit 上并行TTL/LVTTL 电

5、平 27MHz 4:2:2 传输距离较短 IC 间连接SDIBT656（串行）YCbCr数字复合在单根线上10bit 转串 行270Mbps， 4:2:2 传输距离较长 设备间连接1394数字复用在传输链路上串行符合 IEEE1394 规范 规定了物理层和数 据链路层，类似于 以太网。多用于 DV和计算机 设备网络传输的视频 流数字复用在网络线上串行超长距离传输，数 据完整性有保证， 但实时性较差SDTVHDTV二、 模拟视频信号接口1接口设计模拟信号由于其电压范围很小， 如果接口电路设计不当， 很可能造成最终的信号质量下降。 因此需要注意以下几个事项：1)阻抗匹配：通常为 75 ，包括发送端

6、，接收端以及传输路径上的阻抗。2)隔直电容：为了防止不同设备间地电压差对信号造成的影响，此电容不宜过大或者过小。3)滤波网络：尽可能地消除低频和高频纹波。4)地平面：根据理论，地平面分隔可以防止数字信号对模拟地干扰，但从实际经验来看，分隔成 小的地平面后，实际上会造成环流( AD9883资料中有叙述) 。因此大部分情况下，还是用同一 个地。多层地平面，以及多打过孔，保持地电平的稳定是非常必要的。5)PCB走线：等长是需要的，而且要确保三个器件经过不同的选择器 / 缓冲器之后的延时也相差不多，否则很难保证采样相位。6)ESD保护：如果视频接口经常插拔，就需要加 ESD保护二极管。2视频 ADC完

7、成模拟信号到数字信号的转换，在使用过程中需要注意的主要问题有：1)A/D 是否支持交流耦合方式输入2)A/D 内部是否有信号增益调整功能3)是否支持差分输入4)A/D 内部是否有 PLL等器件，采样相位是否可调整5)A/D输出的信号格式( 24bit RGB ， YCbCr)6)是否支持 SOG或者 SOY等同步信号输入模拟信号在 A/D 转换时，通常需要进行一些调整，以达到最佳显示效果：1）调整黑电平位置和最大辐值，通常可以配置 A/D 芯片有关 offset 和 gain 的寄存器，经过此番调整之后，实际上是校准了 RGB三色，同时提高了灰度等级。2）调整 PLL锁相环，以达到合适的采样频

8、率，并保证 PLL 在各种温度条件下均能稳定工作。3）调整采样起始点和终止点，确保有效信号不丢失。4）调整采样相位，使最终显示画质更清晰。3视频 DAC完成模拟信号到数字信号的转换，在使用过程中需要注意的主要问题有：1） D/A 输出时，驱动方式是电压型的，还是电流型的？带负载与不带负载的电压是多少？是否合乎 规范要求。如果不合适，必要时加缓冲器或者放大器输出。2） D/A的输入接口是多少位的？如果是 8bit/10bit 兼容，要注意最高 2 位和最低 2 位的接法。3）输出同步信号是什么格式？是否需要输出 CS或者 SOG？4解码器这里说的解码器是指针对 CVBS（PAL、NTSC）或者

9、Y/C 信号的亮度色度解调和分离用的解码器，解码 器输出的通常为 BT656 或者 BT601 格式的数字信号，此信号仍为隔行信号。解码器使用中， 接口部分设计与 ADC相类似， 对输入信号格式， 输出信号格式的寄存器配置有一些差 异，如果输入格式设置不当，虽然能输出信号，但显示不正确。5编码器视频编码器特指从 BT656/BT601 格式转到 CVBS/YC信号的转换器， 一方面完成数字到模拟信号的转换， 另一方面是完成亮度信号与色度信号的调制、复合。解码器使用中，接口部分设计与 DAC相类似，主要的不同也在于 I 2C寄存器配置不同。 6缓冲器 /放大器 / 选择器 /分配器模拟视频信号在

10、传输和处理的过程中，通常需要一些缓冲 / 放大/ 选择/ 分配等处理。在这些电路设计时，着重需要考虑的问题：1） 输入信号的电压辐值，芯片供电范围是否能满足要求，是否需要加 75电阻。2） 期望信号放大多少倍输出。3） 输出接口是否符合规范要求。7差分 RGB信号接收 / 驱动由于 VGA信号辐值很小，如果在 0V 上下有干扰信号时，会直接影响到信号显示。一种方法是将黑电平抬高，如 SDTV/HDTV中用的模拟 YPbPr 信号，其黑电平通常为 0.3V ，这样，就可以避免 0V 附近的干扰纹波，另一种方法就是将单端信号转为差分信号传输。出现共模干扰时，对信号质量无影响。RGB信号通过模拟差分

11、传输， HS、 VS通过 RS422差分电平传输。在模拟差分接口设计时，需要注意的是信号放大倍数及匹配电阻的接法。针对各类视频模拟信号，推荐以下几种芯片供参考。型号功能特点AD9883ADCRGB输入 140MHz， 8bit ADCAD7123DAC330MHz，10bitDACADV7401ADC+DECODERVGA,SOG,CVBS,YC输入24bitRGB,BT601 ，BT656 输出110MHz， 10bit ADCAD7170ENCODER27MHz 10bit DACTVP5146DECODER与 ADV7101类似AD811放大器140MHz单通道，放大倍数可设置MAX40

12、20放大器PI5V330选择器200MHz， 4* （2 选 1）MAX4137分配器185MHz ，1 分 4AD8115矩阵开关225MHz 16 in 16 outAD8177矩阵开关500MHz，差分 RGB16 RGB in 5RGB outAD8145差分转单端可配置增益， 1或 2单端转差分三、 数字视频信号接口1 DVI 输入接口设计DVI 信号接收通常使用 sil163 、AD9887等，在设计中需要注意以下几项：1)输入信号是单通道还是双通道2)输出时钟与数据的关系，必要时，需要调整配置，使时钟反相。3)输出驱动能力的大小2 DVI 输出接口设计DVI 信号驱动通常使用 s

13、il160 等，在设计中需要注意以下几项：1)输入 LVTTL数据线的接法，注意 8bit/6bit 信号的兼容性接法2)输出信号是单通道还是双通道3)输入时钟与数据的关系，必要时，需要调整配置，与输入信号相兼容。4)输出芯片是否具备预加重功能，保证长距离传输3 LVDS输入接口设计LVDS视频信号接收通常使用 DS90CF388/386/384/366/364 等，在设计中需要注意以下几项：1)输入信号是单通道还是双通道，接口芯片需要配置为正确的模式2)输出时钟与数据的关系，必要时，需要调整配置，使时钟反相。3)匹配电阻的接法4 LVDS输出接口设计LVDS视频信号接收通常使用 DS90CF

14、387/385/383/365/363 等，在设计中需要注意以下几项：1)输出信号是单通道还是双通道2)输入数据信号的接法是否正确，尤其是 24bit/18bit 两类并行数据3)输入时钟与数据的相位关系，必要时，需要调整采样时钟边沿的配置。4)输出驱动能力的大小是否适合长距离传输，是否具有预加重功能5 缓冲器/选择器 /分配器为了保证 TMDS/LVDS长距离传输，如果 LVDS驱动器驱动能力不够，或者不具备预加重功能，或者是经过多个连接器后，传输阻抗发生变化，最好加上 TMDS/LVDS信号缓冲器进行中继。 LVDS 信号可选用DS90LV001/ DS90LV004进行缓冲，并可改善信号

15、质量。如果是多路信号输入，或者需要 1分多路信号输出时，可以选用 TMDS/LVDS选择/ 分配器。6 差分数字信号传输设计要点1)信号路径上的阻抗匹配。 通常 LVDS信号要求为 100 ，这样， 就要求 PCB走线在传输频率下的 特征阻抗达到 100 ，连接器、线缆均要为 100 。否则会影响信号的质量。2） 差分走线等长，不仅要每一差分线对等长，而且要不同的差分线对也等长。3） 传输线缆差分线对双绞，而且最好使用屏蔽线缆。7 并行 24bit/18bit TTL/LVTTL并行数据接口设计时需要注意的有：1）并行 24bit/18bit 数据兼容的接法，高位对齐。2）数据线走线长度要差不

16、多，尤其是高分辨率的信号。3） 并行数据传输时， 由于位数较多， 很容易被其他信号干扰或者相互干扰， 尤其需要注意的是 CLK， HS，VS，DE这几根线尽量与数据线分离开。4）在信号处理和不同的接口芯片互连时，要注意并行数据与时钟的相位关系。必要时，需要用 CPLD/FPGA进行时钟移位或者反相。四、 视频信号的处理 所有的视频信号，要进行一定的变换或者调整，都需要转为数字视频信号（并行 24bit/18bit/16bit/8bit 数据），然后通过专用的视频处理芯片 （如 GM1601、GM5221、PW328、AL128、AL300） 等，或者通过 FPGA/DSP实现通过自编程的逻辑进

17、行信号处理。专用芯片内部通常集成了 A/D、D/A、DVI 接收、 LVDS驱动等功能。视频信号处理方法主要有：1.视频信号增强如对比度调整，信号亮度调整，色温调整，信号滤波等功能，这些功能均是对 RGB/YUV数据信号通过一定的算法，或者是变换矩阵，转换成另一种信号。做这些调整，是为了使图像更加易于识别， 视觉效果更好。2.画面内容截取 将视频数据中某一范围的数据截取输出，其他部分丢弃。比如，输入为 1024*768 ，而需要格式为 800*600 ，可以只截取 1024*768 中的 800*600 大小的窗口输出。3.多路信号选择输出 多种数字格式视频信号输入时，通过寄存器设置，可以选择

18、让其中的一路信号输出。4.多路视频叠加或者 OSD叠加 视频叠加，主要是确定叠加窗口的位置，叠加透明度。在叠加范围内，输出信号为多路信号 YUV 或者 RGB值的加权和。5.视频画面缩放在某些应用场合下，输入信号的分辨率必须要放大或者缩小到固定的格式，而且画面要完整，不 能通过截取的方法来改变分辨率大小。比如液晶显示屏驱动信号、视频信号小窗口叠加、 480i/576i 需要满屏显示等。6.逐行与隔行的相互变换原来的 PAL/NTSC制式的电视信号是隔行扫描的，这是由老的 CRT显示器的扫描特性决定的。但是为了适应在液晶显示器上的显示，需要将隔行信号转为逐行信号。一种最简单的变化方法是，将奇场和

19、偶场信号简单地拼接在一起输出。但是如果是运动画面，这 样的做法，会造成锯齿和抖动。优化的方法是，根据多个奇场和偶场信号进行插值，最后生成连贯的画面。通常有三行滤波、五 行滤波等算法。在这方面 GM1601等器件处理得比较好。7.帧率变换 为了适应显示设备的要求，需要将输入信号的帧率放大或者缩小。比如原来的电视信号是 50Hz 的，需要转为 60Hz 输出给液晶屏。或者普通 VGA信号要转为电视信号输出时，则需要降低帧率。帧率变换主要是通过帧存的读写来实现的，例如，为了提高液晶屏的响应时间，可以采用提高刷 新频率的方法，将 60Hz提高到 120Hz，这是，相当于同样的一幅画面，连续读取 2 次

20、帧存输出。五、 视频信号的检测方法视频信号最终是要显示出来查看的，因此最直观的方法就是看最终的显示效果。视频传输路径上 的问题，或者是视频处理时的问题都可以全部体现在最终的显示设备上。通常需要检测以下几个方面：1)画面的完整性查看画面边框是否完整，可以检验出 ADC设置参数或者数字信号中 DE是否正确2） 颜色/ 灰度的完整性通过查看测试画面中颜色、 灰度是否连续就可以检验出 ADC配置参数、 数字信号连接是否正确3） 信号清晰度除了上述直观的手段外，要评价视频信号的好坏，可以通过输出特定的测试画面，测量视频信号（模拟、并行数字、差分数字）的波形，从而发现问题，并解决。YCrCb 即 YUV，

21、主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与 RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（ RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“ Y”表示明亮度（ Luminance 或 Luma），也就是灰阶值；而“ U”和“ V” 表示的则是色度（ Chrominance 或 Chroma ），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。 “亮度”是透过 RGB输入信号来建立的，方法是将 RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面色调与饱和度，分别用 Cr 和 CB 来表示。其中， Cr 反映了 RGB输入信号红色 部分与 RGB信号亮度值

22、之间的差异。而 CB 反映的是 RGB输入信号蓝色部分与 RGB信号亮度值之间的差异。采用 YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号 Y 和色度信号 U、V 是分离的。如果只有 Y 信号分量而没有 U、V 分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像 。彩色电视采用 YUV空间正是为了用亮度信号 Y 解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。YUV 与 RGB相互转换的公式如下（ RGB取值范围均为 0-255 ）Y = 0.299R + 0.587G + 0.114BU = -0.147R - 0.289G + 0.436BV = 0.615R - 0.515G - 0

23、.100BR = Y + 1.14VG = Y - 0.39U - 0.58VB = Y + 2.03U在 DirectShow 中，常见的 RGB格式有 RGB1、 RGB4、 RGB8、 RGB565、 RGB555、 RGB24、 RGB32、 ARGB32等；常见的 YUV格式有 YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、 Y411、Y211、IF09 、 IYUV、 YV12、 YVU9、 YUV411、 YUV420等。S-Video 信号S-Video 是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分成两路独立的模拟信号，用两路导线分别 传输并可以分别记录在模拟磁带

24、的两路磁迹上。将两个色差信号 U、V 合并形成一个彩色信号 C，以 Y/C 格式进行记录，这种格式被称为彩色降频方式。这种信号不仅其亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮 度和色度分开传输，可以减少其互相干扰，水平分解率可达 420 线。与复合视频信号相比， S Video 可以更好地重现色彩。同 AV 接口相比，由于它不再进行 Y/C 混合传输，因此也就无需再进行亮色分离和解码工作， 而且使用各自独立的传输通道在很大程度上避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了 图像的清晰度。 但 S-Video 仍要将两路色差信号 （Cr Cb） 混合为一路色度信号 C，进行传输然后再在显示

25、设 备内解码为 Cb和 Cr 进行处理，这样多少仍会带来一定信号损失而产生失真 （这种失真很小但在严格的广播级视频设备下进行测试时仍能发现 ） 。而且由于 Cr Cb 的混合导致色度信号的带宽也有一定的限制，所以 S-Video 虽然已经比较优秀， 但离完美还相去甚远。 S-Video 虽不是最好的，但考虑到目前的市场状况和综 合成本等其它因素，它还是应用最普遍的视频接口之一。两分量视频可来自于高档摄像机，它采用两分量 视频的方式记录和传输视频信号。 其它如高档录像机、 激光视盘 LD 机的输出也可按分量视频的格式， 其清 晰度比从家用录像机获得的电视节目的清晰度要高得多。YPbPr_YCbC

26、 信号YPbPr 接口可以看做是 S 端子的扩展，与 S 端子相比，要多传输 PB、PR两种信号， 避免了两路色差 混合解码并再次分离的过程， 也保持了色度通道的最大带宽， 只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为 RGB 三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传 输过程所带来的图像失真，保障了色彩还原的准确，目前几乎所有大屏幕电视都支持色差输入。YPbPr 为模拟的色差信号， YCbCr为数字的色差信号。 YCbCr是逐行扫描信号， YPbPr 隔行扫描信 号。数字电视的 YUV（YCbCr）色彩空间是由 ITU（国际电信联盟） 规定的，但是分

27、量接口尤其是模拟分量接 口并没有国际统一的标准，目前最为常见的是日本的 D 端子、欧洲的 SCART端子和美国的三线端子。我国目前采用的是美国的三线端子，这个端子是由美国 EIA（电子工业协会）标准 EIA-770.2a 规定的，按照这个标准，下到 480i ，上到 720p 的信号都是采用这个端子传输，而且并没有隔行、逐行的分别。其实日本 的 D端子和欧洲的 SCART端子也是不分隔行逐行的， D 端子的 D1到 D5的标识不同只是告诉使用者这个机 器只能输出（输入）某一个格式以下的信号（譬如 D4就表示支持 720p 及以下格式）。所以， YCbCr表示 的是数字电视（视频）的色彩空间及数

28、字接口，这是国际通用的标准。 YPbPr 表示的仅仅是模拟视频分量 接口，而且仅仅是美国的标准（包括采用美国标准的其他国家）。数字电视的色彩空间和计算机不同，不是 RGB空间，而是采用一个亮度信号 （Y） 和两个色差信号（R-Y 、B-Y）的 YUV空间或者叫 YCbCr空间。数字电视采用 YUV（YCbCr）色彩空间的原因主要就是为了减少数 据储存空间和数据传输带宽，同时又能非常方便的兼容黑白电视 （R-Y 和 B-Y 信号为零 ） 。由于全部三个 信号需 求较大带宽，因此传统的消费视频无法使用 RGB 。为了降低带宽、成本，并解决延迟及现今的 运行功耗等问题， RGB 信号在算法上进行了处

29、理，从而造就了不同形式的视频信号。YUV电视传输用的名词 ,一个亮度信号（ Y），两个色差信号（ U分量、 V分量）。 YUV（亦称 YCrCb） 是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于 PAL）。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与 RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的带宽（ RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“ Y”表示明亮度（ Luminance 或 Luma），也就是灰阶值；而“ U”和 “V”表示的则是色度（ Chrominance 或 Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。 “亮度”是通过

30、RGB输入信号来创建的，方法是将 RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜 色的两个方面色调与饱和度，分别用 Cr 和 CB 来表示。其中， Cr 反映了 GB输入信号红色部分与 RGB信号亮度值之间的差异。而 CB 反映的是 RGB输入信号蓝色部分与 RGB信号亮度值之同的差异。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色 CCD（点耦合器件）摄像机，它把摄得的彩色图像信号，经分色、分别放大校正得到 RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号 Y 和两个色差信号 R-Y、 B-Y，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这就是我们常用的 YUV色彩空间。YUV （YCrCb）和 4:2:2, 4:1:1, 4:2:0是指亮度信号 Y和红/蓝色差信号的抽样格式 . 在 dv 中, ntsc 是 4:1:1, pal 采用 4:2:0. 注 意, 4:2:0 并非蓝色差信号采样为 0,而是和 4:1:1 相比,在水平方向上提高 1 倍色差采样频率 , 在垂直方向 上以 Cr/Cb 间隔的方式减小一半色差采样 .RCA接口标准视频输入接口（ RCA）