剖析多媒體數(shù)字燈的視頻接口

韓振雷

（山東理工大學，山東 淄博 255049）

剖析多媒體數(shù)字燈的視頻接口

韓振雷

（山東理工大學，山東 淄博 255049）

除具有DMX512和支持Art-Net協(xié)議的TCP/IP網(wǎng)絡接口外，多媒體數(shù)字燈還具有多種視頻輸入、輸出接口。本文介紹這些接口及其對應的視頻標準。

視頻；接口；基色；分量；SDI；DVI

和普通電腦燈相比，除有類似的通信和控制接口外，數(shù)字燈還有多種視頻接口，具有豐富的視頻媒體功能，這是數(shù)字燈和普通電腦燈在功能上的最大區(qū)別。為了更好地駕馭數(shù)字燈的媒體功能，有必要對數(shù)字燈的各個視頻接口及相關的視頻標準作深入的了解。本文以BARCO公司的DML1200和DL.3兩款數(shù)字燈為例進行介紹。

DML1200和DL.3數(shù)字燈面板上的接口有VGA輸入接口、基色視頻輸入接口、分量視頻輸入接口、S-Video輸入/輸出接口、SDI/HDSDI輸入/輸出接口、DVI輸入接口及DMX輸入/輸出接口、TCP/IP網(wǎng)絡接口等。DMX和網(wǎng)絡接口屬于通信和控制接口，本文不予探討。VGA、基色視頻、分量視頻、S-Video屬于模擬視頻接口，HD SDI、SDI和DVI屬于數(shù)字視頻接口。DML1200和DL.3數(shù)字燈上的主要視頻和控制接口分別如圖1和圖2所示。每一個視頻接口都對應一種具體的視頻標準和格式。

1 基色視頻

自然光通過攝像機鏡頭后，經(jīng)棱鏡系統(tǒng)分解為紅綠藍三路基色光，分別照射到三片成像器（CCD或CMOS）的光敏面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，就可以分別輸出紅（R）、綠（G）、藍（B）三路模擬圖像信號。R、G、B信號叫做基色圖像信號，要想正常地完成圖像的顯示，還必須通過同步電路產(chǎn)生行同步脈沖（H）和場同步脈沖（V）。行、場同步脈沖的作用是保證圖像在水平和垂直方向上的同步顯示，如果沒有同步脈沖，圖像將得不到正常顯示。R、G、B三個基色圖像信號和H、V兩個同步脈沖共同構(gòu)成的信號模式叫做RGBHV基色視頻。在電腦上，通常用顯卡上的VGA接口輸出基色視頻信號，和具有VGA接口的顯示設備相連，可以形成最高質(zhì)量的圖像還原。

VGA接口又叫D-Sub接口，共有15個針腳，傳輸基色視頻時，只需要5個針腳，其中1、2、3針腳分別用來傳輸R、G、B基色圖像信號，13和14針腳傳輸行、場同步脈沖。DL.3數(shù)字燈支持VGA輸入模式，可以直接和媒體服務器上的VGA接口相連接?；曨l中的R、G、B、H、V等5個信號與VGA接口針腳的對應關系如圖3所示。

在DML1200和DL.3數(shù)字燈上，基色視頻中的R、G、B、H、V信號既可以用VGA接口傳輸，也可以分別用一個BNC端子來傳輸，其效果和用VGA接口是完全一樣的。

2 分量視頻

分量視頻（Component Video）的全稱是亮度和色差分量視頻，包含一個亮度信號分量和兩個色差信號分量。色差信號是在三個基色圖像信號基礎上產(chǎn)生的一種高品質(zhì)信號類型，產(chǎn)生過程如下：

首先，需要產(chǎn)生由R、G、B三個基色信號共同決定的用以攜帶灰度圖像信息的亮度信號?；珗D像信號由亮度和色度兩種能量形式構(gòu)成，在能量一定的情況下，不同的顏色具有不同的亮色比例。我國PAL制視頻系統(tǒng)所采用的亮度方程式是Y=0.30R+0.59G+0.11B，R、G、B三個基色信號所占的亮度比例分別是30%、59%和11%。通過串聯(lián)分壓電路分別對R、G、B三個基色信號衰減70%、41%和89%，然后將其匯聚于同一電路節(jié)點，即可得到由三個基色信號共同決定的總亮度信號，該信號攜帶著灰度圖像的全部信息，用符號Y表示。

將亮度信號Y倒相180°，然后分別和B、R基色信號相加，即可得到藍色差信號B-Y和紅色差信號R-Y（綠色差信號G-Y的信息包含在B-Y和R-Y之中，不用重復產(chǎn)生）。B-Y、R-Y兩個色差信號攜帶著圖像的全部色度信息，決定著色彩的色調(diào)和飽和度。Y、B-Y、R-Y三個信號組成的視頻模式叫做分量視頻，其中Y為亮度分量，B-Y為藍色差分量，R-Y為紅色差分量。由基色視頻信號產(chǎn)生分量視頻的簡化電路如圖4所示。

分量視頻具有與基色視頻十分接近的信號品質(zhì)，其標識符號眾多，常用的有Y/B-Y/R-Y、Y/Pb/Pr、Y/Cb/Cr及Y/U/V等，Y/Pb/Pr用于逐行掃描，Y/Cb/Cr用于隔行掃描。DL.3數(shù)字燈不支持分量視頻，DML1200數(shù)字燈支持分量視頻，其標識符號為Y/Pb/Pr，與R、G、B、H、V基色視頻共用端口，參見圖1。

3 分離視頻

S-Video即分離視頻（Separate-Video或Super-Video）。將分量視頻中的兩個色差進行必要的幅度和頻帶壓縮后，再分別對其平衡調(diào)幅，即可形成包含全部色度信息的總色度信號?？偵刃盘柾ǔＳ梅朇表示，與亮度信號Y分別用一個信道平行傳輸，這樣的信號模式即分離視頻。理論上，分離視頻的品質(zhì)低于基色視頻和分量視頻，但因其占用的信道少，傳輸距離遠，用一根帶屏蔽層的雙芯電纜即可完成信號的傳輸，所以，也獲得了極為廣泛的應用。分離視頻所用的接口俗稱S端子，標識符號為S-VIDEO或Y/C，是DL.3數(shù)字燈支持且常用的一種信號模式。圖5是將分量視頻轉(zhuǎn)換為分離視頻的原理框圖。

4 SDI/HDSDI

SDI（Serial Digital Interface）意為串行數(shù)字接口，由SMPTE組織制定，可以傳輸8位及10位的非壓縮基帶數(shù)字視頻信號，傳輸速度從270 Mbps到2.970 Gbps不等。SDI數(shù)字視頻采用75Ω同軸電纜和BNC接口傳輸，信號傳輸品質(zhì)高，連線方便，易于控制，是專業(yè)廣播領域的通用數(shù)字視頻接口標準。

根據(jù)適應的數(shù)據(jù)碼率不同，SDI有SD-SDI和HD-SDI兩種接口標準，SD（Standard-Definition）標準用于標清電視，HD（High-Definition）標準用于高清電視。不管是標清還是高清，都有隔行和逐行之分，隔行用interlace的首字母“i”表示，逐行用progressive的首字母“p”表示。SDI的子標準眾多，部分標準及其技術規(guī)格和適用對象如表1所示。

全世界范圍內(nèi)共有三種電視制式：NTSC制、PAL制和SECAM制，北美、日韓等國家采用NTSC制，我國和西歐大多數(shù)國家采用PAL制，法國使用SECAM制。各制式之間不但色差信號的編碼方式不同，而且分辨率也不盡相同。

對于標清數(shù)字電視，PAL制的分辨率為720×576，576i表示隔行掃描的PAL制標清，576p表示逐行掃描的PAL制標清。NTSC制的分辨率為720×480，480i表示隔行掃描的NTSC制標清，480p表示逐行掃描的NTSC制標清。

高清數(shù)字電視不再有制式之分，其分辨率標準有三種：720p、1080i和1080p。720p是逐行掃描標準，分辨率為1 280×720，1080i是隔行掃描標準，分辨率為1 440×1 080或1 920×1 080（不同分辨率的像素寬高比不同），1080p是最高規(guī)格的高清標準，也是逐行掃描，分辨率為1920×1080，號稱是全高清（Full-HD）。

下面對表1中的5個SDI標準進行簡單解釋：

（1）SMPTE 259M SDI標準用于傳輸隔行掃描的NTSC和PAL制標清視頻，兼容270 Mbps和360 Mbps兩種數(shù)據(jù)流，其中以270 Mbps最為常用，完全可以滿足分量視頻格式的隔行標清非壓縮數(shù)據(jù)流的傳輸。360 Mbps 的碼率標準適用于分量視頻格式的16:9寬屏隔行標清電視。

（2）SMPTE 344M標準采用兩個SD-SDI接口進行信號傳輸，所以接口速率為270 Mbps×2=540 Mbps，用于傳輸逐行掃描的NTSC和PAL制分量標清視頻。由于SMPTE 259M標準下的單SD-SDI接口完全可以滿足逐行分量標清信號的數(shù)據(jù)速率，因此，SMPTE 344M標準極少采用。

（3）SMPTE 292M標準用于傳輸非壓縮的分量高清數(shù)字視頻，數(shù)據(jù)碼率是1.485 Gbps，簡稱1.5 G。

（4）SMPTE 372M用于更高分辨率顏色需求更高的全高清電視，支持10 bit量化、4:2:2采樣和1080P逐行掃描。為了滿足高達2.970 Gbps 的數(shù)據(jù)流量，采用兩個HD-SDI 接口并行地傳輸非壓縮的分量基帶數(shù)據(jù)，其中一個接口專門用來傳輸亮度信號，另一個接口用來傳輸藍色差和紅色差數(shù)據(jù)。因此，SMPTE 372M標準對應的接口名稱是Dual Link HD-SDI（雙鏈接HD-SDI）。

表1 常用SDI標準及其技術規(guī)格和適用對象

表2 數(shù)字電視的掃描標準及其技術規(guī)格

（5）SMPTE 424M標準支持的數(shù)據(jù)碼率是2.970 Gbps，因此，以3G-SDI作為其接口名稱。3G-SDI是SMPTE于2006年6月發(fā)布的一種高速率接口標準，和Dual Link HD-SDI標準的技術規(guī)格和應用領域是完全一樣的，都可以用來傳輸非壓縮全高清數(shù)據(jù)流，但3G-SDI只用一個傳輸接口，這是其優(yōu)勢所在。

由此可知，HD-SDI是SDI的眾多標準之一種，可支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適于高清數(shù)字電視的信號傳輸，而SDI則有兩層含義，一層含義是泛指數(shù)字視頻的一種工業(yè)標準，另一層含義是當作為接口的標識名稱時，是SD-SDI的簡稱，嚴格說來是指此接口和設備只能支持標清數(shù)字視頻。DML1200數(shù)字燈既支持標清數(shù)字視頻，也支持高清數(shù)字視頻，而DL.3數(shù)字燈只支持標清數(shù)字視頻。

電視制式不同，其幀頻和場頻也不同。PAL制的幀頻是25 Hz，通過隔行掃描，可將一幀變?yōu)閮蓤?，因此場頻為50 Hz（逐行掃描的PAL制電視，幀頻是25 Hz，不再有場頻的概念）。NTSC制的幀頻是30 Hz（精確值為29.97 Hz），采用隔行掃描，其場頻為60 Hz（精確值為59.94 Hz）。幀頻和場頻只與電視制式有關，與標清或高清無關。

將場頻或幀頻附加字母“i”或“p”，是另一種表示數(shù)字電視制式及其相關技術規(guī)格的常用方式，列于表2，供燈光工作者涉及到視頻應用時參考。

5 DVI

DVI（Digital Visual Interface）數(shù)字視頻接口，是1999年由眾多世界知名IT企業(yè)制定的一種工業(yè)標準。DVI接口分為兩種類型，一種是DVI-D接口，只能傳輸數(shù)字視頻，另一種是DVI-I接口，可兼容模擬視頻和數(shù)字視頻。DVI有DVI 1.0和DVI 2.0兩種標準，DVI 1.0采用單一鏈路的“單通道”模式傳輸數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1.65 Gbps，每秒鐘可傳輸165 M個像素，支持1 600×1 200的UXGA分辨率。DVI 2.0標準采用“雙通道”傳輸數(shù)據(jù)，所有技術規(guī)格是DVI 1.0標準的2倍，但目前還基本沒有得到顯示設備的支持。

DML1200數(shù)字燈的DVI接口符合DVI 1.0標準，支持HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）高帶寬數(shù)字內(nèi)容版權保護協(xié)議，支持垂直24 Hz～75 Hz和水平20 Hz～90 kHz 的超寬范圍掃描頻率，采用DVI-I接口（但并不支持模擬信號），在1 600×1 200的UXGA分辨率下，可通過不長于8 m的專用電纜與具有同樣接口的信源設備相連接。

（注：本文部分參考資料來自http://www.barco.com）

The Analysis of the Video Interfaces of the Multimedia Digital Lights

HAN Zhen-lei
(Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

In addition to the DMX512 and TCP / IP network interface that supports Art-Net protocol, the multimedia digital light also has a variety of video input and output interfaces.These interfaces and their corresponding video standards are introduced in the article.

video; interface; cardinal color; component; SDI; DVI

（編輯 張 淼）