常用视频信号接口与处理方法总结.docx
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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
一、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
VGA
RGB
模拟
RGB分离
HS,VS分离
——
RGB峰值0.7V
（带75Ω负载）
HS、VS为
TTL/LVTTL电平
连接器为DB15
VESA640*400
~
1920*1200
R，SOG，B
RGB
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信号峰值为1.0V（-0.3V~0.7V）
（带负载）
连接器为RCA/BNC
同VGA
差分RGB
RGB
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VGA
SDTV/HDTV
R’G’B’
R’G’B’
模拟
R’G’B’分离
SOG
黑电平为0.3V
白电平为1.0V
同步电压
（带75Ω负载）
连接器为RCA/BNC
480i/p
576i/p
1080i/p
SDTV/HDTV
YPbPr
YUV
模拟
YPbPr分离
——
Y峰值1.0V，
黑电平为0.3V
CbCr峰值0.7V（0.3V~1.0V）
（带75Ω负载）
连接器为RCA/BNC
480i/p
576i/p
1080i/p
CVBS
（PAL,NTSC,
SECAM等）
YUV
模拟
Y/C复合
——
峰值1.0V
（带75Ω负载）
连接器为RCA/BNC
480i
576i
S-Video
YUV
模拟
Y/C分离
CS复合在Y
CbCr复合为C
——
Y峰值1.0V
C峰值0.7V
（带75Ω负载）
连接器为RCA/BNC
480i
576i
18bit/24bit数字RGB
RGB
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VGA
Open-LDI（LVDS）
RGB
数字
RGB，HS，VS,DE复合在A2通道
7bit转串行
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
DVI
RGB
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
HDMI
YCbCr
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
13.5MHz4:
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电平
27MHz4:
2:
2
传输距离较短
IC间连接
SDI
BT656（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
SDTV
HDTV
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75Ω，包括发送端，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（24bitRGB，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I2C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75Ω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
AD9883
ADC
RGB输入
140MHz，8bitADC
AD7123
DAC
330MHz，10bitDAC
ADV7401
ADC+DECODER
VGA,SOG,CVBS,YC输入
24bitRGB,BT601，BT656输出
110MHz，10bitADC
AD7170
ENCODER
27MHz10bitDAC
TVP5146
DECODER
与ADV7101类似
AD811
放大器
140MHz
单通道，放大倍数可设置
MAX4020
放大器
PI5V330
选择器
200MHz，4*（2选1）
MAX4137
分配器
185MHz，1分4
AD8115
矩阵开关
225MHz16in16out
AD8177
矩阵开关
500MHz，差分RGB
16RGBin5RGBout
AD8145
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sil160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DS90CF387/385/383/365/363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100Ω，这样，就要求PCB走线在传输频率下的特征阻抗达到100Ω，连接器、线缆均要为100Ω。
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/18bitTTL/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
单像素黑白竖线条，通过查看线条稳定程度及颜色，可以检验出ADC采样时钟和相位、数字信号受干扰程度。
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，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+0.114B
U=-0.147R-0.289G+0.436B
V=0.615R-0.515G-0.100B
R=Y+1.14V
G=Y-0.39U-0.58V
B=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（CrCb）混合为一路色度信号C，进行传输然后再在显示设备内解码为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CrCb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R'G'B'。
为了降低带宽、成本，并解决延迟及现今的运行功耗等问题，R'G'B'信号在算法上进行了处理，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），也称AV接口，通常都是成对的白色和红色的音频接口和黄色的视频接口，它通常采用RCA（俗称莲花头）进行连接，使用时只需要将带莲花头的标准AV线缆与相应接口连接起来即可。
RCA是RadioCorporationofAmerican的缩写词，因为RCA接头由这家公司发明的。
RCA俗称莲花插座，几乎所有的电视机、影碟机类产品都有这个接口。
它并不是专门为哪一种接口设计，既可以用在音频，又可以用在普通的视频信号，也是DVD分量（YCrCb）的插座，只不过数量是三个。
RCA接头是目前为止最为常见的一种音/视频接线端子。
这种双线连接方式的端子早在收音机出现的时代便由RCA录音公司发明出来，还有一个更老式、也比较奇怪的称呼叫做“唱盘”接头。
RCA端子采用同轴传输信号的方式，中轴用来传输信号，外沿一圈的接触层用来接地，也可以用来传输数字音频信号和模拟视频信号。
RCA音频端子一般成对地用不同颜色标注：
右声道用红色（字母“R”表示“右”
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