视频交换传输与控制培训技术资料.docx
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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-Sub15针）
5.DVI接口
6.色差视频接口（分量）
7.HDMI接口
8.BNC端子（5BNC）
9.SDI接口（SD-SDI、HD-SDI、3G-SDI）
10.DisplayPort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
一十、
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（AnimationFrameworkeXtension（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
Framerate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（framepersecond，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29.97fps。
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720/704/640x480i60（NTSC）或768/720x576i50（PAL/SECAM）。
新的高清电视（HDTV）分辨率可达1920x1080p60，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（volumepictureelement，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（Aspectratio）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CCIR601，以及其相对应的非等方宽屏幕格式。
因此以720x480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（ColorSpace）或色彩模型（Colormodelname）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（bitsperpixel，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（peaksignal-to-noiseratio,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（DoubleStimulusImpairmentScale）。
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（intraframecompression）。
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（interframecompression），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（Variablebitrate，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（Constantbitrate，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”（Stereoscopicvideo）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HDDVD与Blu-rayDisc两方都会出现含有立体视频的视频。
参见Stereoscopy与3-Dfilm。
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（PhaseAlternatingLine）。
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（colortoneshifting）现象，所以有人昵称NTSC为NeverTheSameColor（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WalterBruch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RecommendationITU-RBT.470-6,ConventionalTelevisionSystems。
“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（tintcontrol）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PALB/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（NationalTelevisionSystemCommittee，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NeverTheSameColor（不会出现一样的色彩）、称PAL为PerfectAtLast（终于达到了完美）、称SECAM为SystemEssentiallyContrarytoAmericanMethod（本质上有别与美国的系统）或ShowsEveryColorAllMurky（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,FranandOllie，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TournamentofRosesParade，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（Compositevideoconnector，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VHF7~13CH，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（SuperVideo）”）。
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（compositevideo）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Commodore64家用电脑的时代，S-Video的输出线材大部分采用8针DIN的
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