數字視頻系統接口應用

李向軍

(海軍駐西安20所軍事代表室，陜西　西安　710068)

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數字視頻系統接口應用

李向軍

(海軍駐西安20所軍事代表室，陜西西安710068)

隨著技術發展，數字視頻接口逐步替代模擬視頻接口，成為視頻產生、傳輸、顯示、存儲的主要方式。列舉了常用的模擬和數字接口，闡述了視頻系統前端與后端數字視頻接口的特點及應用情況。通過分析各個端口的性能和實際軍事需要，得出Camera Link接口是現在軍用光電產品中的主要發展和應用方向。并且從接口的發展趨勢來看，未來的數字接口是向攝取速度更高、傳輸帶寬更寬、分辨率更高的方向發展。

數字視頻；接口；Camera Link

視頻技術的應用改變了人們的生活，電影、電視、計算機、手機等通過視頻播放將現實場景、故事、小說以圖像的形式顯現在人們面前，使人們不用到現場就可以看見現場發生的事情；不用親自見某人，就可以了解某人的想法。數字視頻技術的應用提高了圖像的分辨率，改善了圖像的質量，使人們享受更高品質的圖像[1]。

1　應用方案

在民用領域，視頻技術主要用于電影、廣播電視，屬于非實時系統，或者說對實時性要求不高的系統，如圖1所示。在圖1中，先期制作好的節目源經過編碼后進行傳輸，在接收端進行解碼后傳送到終端顯示[2]。節目源制作、編碼、傳輸都是由廣播電視電影部分完成，用戶只需要配置一個解碼器和終端顯示設備就可以了，如電視機、計算機、手機等終端設備。

圖1民用視頻系統

在安防領域，視頻技術也被廣泛應用，如監控系統、視頻會議系統、無人機攝像等，這類系統為專用視頻系統，也是實時性系統。因為前端攝像機直接攝取視頻，不需要專門的制作編輯，直接傳輸到后端，如圖2所示。監控系統主要應用于小范圍民宅區域的監視，視頻會議主要用于跨區域會議的現場互動，無人機視頻編碼后通過無線傳輸到地面，或現場保存圖像，落地后人工拷貝數據。

圖2專用視頻系統

在軍用領域，視頻技術還應用于光電系統中，如光電跟蹤系統、光電偵察系統等，這類系統經常裝備于飛機、艦艇、坦克、衛星、導彈等平臺系統中，主要完成戰場區域感知(偵察)和目標跟蹤(攻擊)的任務，如圖3所示。這類系統要求的實時性非常強，實時性越好，系統精度越高。

圖3　實時性專用視頻系統

在民用、軍民融合領域中，模擬視頻技術早已升級為數字化視頻技術，并得到廣泛應用。而在軍用領域，由于受實時性的限制，數字化視頻技術在高速系統中的應用才剛剛起步。

2　模擬視頻接口

早期的攝像機主要采用模擬視頻接口，相應的后端顯示設備采用與前端相同格式或與計算機接口的格式。常用的模擬視頻格式及接口主要有：

1)PAL制視頻接口

PAL制式為彩色廣播電視的彩色電視機體制，每幀625行，25 f/s(幀/秒)，隔行掃描，場頻為50 Hz，中國、德國、英國及西北歐國家采用這種制式。PAL制視頻接口采用BNC接口，攝像端和顯示器端接口相同，都是BNC接口，采用同軸電纜直接傳輸[3]。同軸電纜匹配阻抗有50 Ω、75 Ω兩種，傳輸距離可以達到100 m以上。早期的攝像機、監視器、視頻矩陣切換與分配器等視頻設備上均采用PAL視頻接口，廣泛應用于監控系統中。PAL制傳輸視頻，性能穩定，收看效果好，但成本高。

2)NTSC制視頻接口

NTSC制式也是彩色廣播電視的彩色電視機體制，視頻格式為每幀525行，30 f/s，隔行掃描。美國、加拿大、日本、韓國等國家采用這種制式。與PAL制相比成本低、兼容性好，但色彩不穩定。輸入輸出接口形式與PAL制相同，均為BNC接口。

3)S端子

S端子(全稱Separate Video) 是二分量傳輸的視頻接口，只傳輸視頻信號， 不傳輸音頻信號。視頻信號的亮度和色度是分開傳輸的，避免了設備內信號干擾而產生的圖像失真，能夠有效提高畫面的清晰程度。 S端子有4針、7針、9針S端子接口，主要用于錄像機、電視機、DVD播放機、游戲機等家庭視頻設備上。S端子由于傳輸帶寬不足，不適合傳輸分辨率高的影像信號。傳輸距離不宜太長，對于品質差的S端子，電纜長度超過5 m，易失真較大。

4)VGA接口

VGA(Video Graphic Array)是一種視頻圖形陣列接口，是計算機模擬顯示器顯示標準。計算機輸出的是數字信號，而計算機使用CRT顯示器顯示模擬信號，所以計算機的顯卡必須將數字信號轉化為模擬的視頻信號供CRT顯示器用。VGA將視頻信號分解為R、G、B三原色和HV行場信號進行傳輸，所以在傳輸過程中損耗較小。VGA雖然是模擬視頻接口，但也可以顯示1 080p高清視頻信號。VGA采用15針的D型專用視頻接口，目前主要應用在電腦顯示器上。

隨著數字技術的發展，CRT顯示器已被淘汰，PAL、NTSC、S端子等模擬視頻接口應用越來越少，而替代CRT顯示器的LCD液晶顯示器仍然采用VGA接口，而且VGA支持高清視頻格式，因此目前VGA仍然是主流應用的計算機顯示接口。

3　數字視頻接口

由于環保、節能要求以及液晶顯示技術的發展，CRT顯示器逐步淘汰，液晶顯示器(LCD)被廣泛應用。數字化技術的應用，使得模擬視頻向數字視頻方向發展。近年來隨著高分辨率數字攝像機的出現，后端采用高分辨率、低耗能的LCD顯示屏，使人們可以采集、欣賞高品質的圖像。

數字視頻接口形式種類較多，有Camera Link、 SDI、1394等數字相機接口，也有DVI、HDMI、DisplayPort等數字顯示接口，主要針對應用的設備不同，采取不同的接口形式。

1)Camera Link接口

Camera Link接口為相機端接口，視頻傳輸為實時無壓縮格式，是一種針對高幀頻、高分辨率數字相機的專用通信協議接口，使用低壓差分信號LVDS傳輸，包括5對差分信號用于傳輸視頻數據，4對差分信號用于并行傳輸相機控制信號，2對差分信號用于相機和主機之間進行異步串行通信，其中視頻數據信號采用Channel Link協議[4]。Camera Link視頻傳輸有基模式(Base)、中級模式(Medium)和全模式(Full)3種模式，在全模式下，1個時鐘周期內可以最多傳輸8 byte數據。

高速攝像機主要采用Camera Link接口，最高幀頻為500 Hz，分辨率可以達到百萬像素(1 280×1 024)，主要用于靶場彈道測量、汽車碰撞試驗、體育競技等高速運動場景的攝像方面。然而，Camera Link接口兼容性不佳，因為每個廠家產品的時鐘頻率都不一定相同，因此，后端設備選用，最好也選用同一廠家的設備。該接口傳輸時鐘的最高頻率為85 MHz，最大傳輸能力為5.44 Gbit/s。接口為26芯D型接口，基模式采用1個D型接口，中模式和全模式均采用2個D型接口，傳輸電纜為專用電纜，傳輸距離最長不超過15 m。

2)SDI接口

SDI接口為相機端接口，是一種數字分量串行接口，視頻傳輸為實時無壓縮格式，沒有IP網絡接口的延時問題。SDI接口有SD-SDI，HD-SDI，3G-SDI三種類型。SD-SDI為標準清晰度數字視頻接口，最大分辨率為720×576。HD-SDI是一種廣播級的高清標準數字視頻接口，最大分辨率可以達到1 920×1 080。3G-SDI是高幀、高清數字視頻接口，其幀頻可以達到50～60 Hz，而SD-SDI和HD-SDI的幀頻為25 Hz。 SDI接口接插件為BNC接口，接口為BNC接口，與PAL制視頻接口兼容，同軸電纜傳輸，傳輸距離可以達到100 m，因此，工程化程度比較好。SD-SDI，HD-SDI和3G-SDI傳輸速率分別為270 Mbit/s，1.485 Gbit/s和2.97 Gbit/s。

3)IEEE1394接口

為USB接口標準，主要用于方便計算機采集視頻數據的數字接口。

4)DVI接口

DVI(Digital Visual Interface)接口，是一種數字顯示接口標準。DVI有DVI1.0和DVI2.0兩種標準，最高分辨率可達1 600×1 200×60， 傳輸圖像的最高像素時鐘為165 MHz，信道中的最高信號傳輸碼流為1.65 Gbit/s。DVI技術在計算機顯示輸出領域得到了迅速運用，但是伴隨著數字高清影音技術的發展，DVI接口也開始逐漸暴露出種種問題，甚至在一定程度上成為數字影像技術進步的瓶頸。

5)HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia)是高清晰度多媒體接口，是在DVI協議的基礎上制定開發的[5]。在視頻傳輸時，HDMI和DVI可以兼容，但HDMI強化了音頻傳輸能力，可以以數碼形式同時傳輸未經壓縮的高清視頻和多聲道音頻信號。HDMI連接器共有兩種，即19針的A類連接器和29針的B類連接器。A類尺寸較小，為單連接配置，最高像素時鐘為165 MHz；B類外形尺寸稍大，支持雙連接配置，可將最大傳輸速率提高一倍，擁有330 MHz的像素時鐘頻率。與DVI相比，HDMI接口的體積更小，最高數據傳輸速度為5 Gbit/s，最遠可傳輸15 m，足以應付一個1 080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。

6)Gige Vision網絡接口

Gige Vision是一種基于千兆以太網的圖像傳輸標準，具有傳輸距離長(無中繼時100 m)，傳輸效率高可向上升級為萬兆網、通信控制方便、軟硬件互換性強、可靠性高等優點[6]。為了兼容視頻數據量大的特點，Gige Vision比標準千兆網在最大數據包和DMA控制上進行了提升。其采用的“Jumbo packet”最大支持16 224 byte，并且其CPU中斷數大大降低，占用率也大幅降低了。

7)CXP接口

CXP接口即CoaXPress接口，是一種專門為視頻傳輸建立的非對稱的高速點對點串行通信數字接口標準。該接口使用單根或多根同軸電纜連接到主機，可實現最高6.25 Gbit/s的下行數據傳輸和20 Mbit/s的上行通信控制傳輸。相對于Camera Link，CXP可以提供更高的帶寬，傳輸距離更遠，并且其使用與模擬設備相同的同軸電纜，可以方便地將模擬視頻升級為數字視頻。CoaXPress接口的傳輸容量比Camera Link和GigE Vision更大，可能是未來機器視覺領視頻接口應用的發展方向。

8)DisplayPort接口

DisplayPort是一種高清數字多媒體顯示接口。除了傳輸視頻信號外，還傳輸高品質的音頻信號。DisplayPort支持2 560×1 440超高分辨率顯示，最大傳輸帶寬10.8 Gbit/s，而HDMI接口最大傳輸帶寬為4.5 Gbit/s。因此，DisplayPort性能優于HDMI和DVI。

從上面可以看到數字接口種類較多，標準不統一。目前顯示端數字視頻接口應用較多的是HDMI接口，主要應用于民用領域。對于高速攝取實時傳輸系統，軍用方面主要是Camera Link數字接口，民用方面為SDI接口，大容量傳輸兼顧圖像實時獲取系統采用Gige Vision網絡接口。DisplayPort用于超高清系統，CXP主要在機器視覺里有應用，還不普及。

4　光電產品中數字視頻應用

盡管數字視頻技術被廣泛應用，但是主要分為兩類，一類為非實時性系統，另一類為實時性系統。非實時性系統主要應用在監控、教育、宣傳等領域，特點為前端攝取速度要求不高，攝取速度一般為25 f/s，分辨率為高清即可。光電產品主要以采用實時性系統為主，一般應用于高速競技運動和軍用跟蹤測量領域。在競技運動中用于攝取瞬間的動作，如鷹眼視頻、碰撞測量視頻系統，主要特點是高速實時攝取，非實時處理。軍用測量應用與競技類測量類同，但是速度更高，如彈道測量等。軍用跟蹤預警應用要求實時攝取、實時處理，如圖3所示的系統，輸出以控制信號為主，而不是以圖像顯示信號為主。因此，軍用跟蹤預警類的視頻系統，后端實時處理要求更高。

競技運動類用數字視頻系統主要采用Gige Vision網絡接口，具有傳輸距離遠、適用性強、且支持多個相機組網的優點，但是其傳輸為非實時，可能發生丟包等情況。CXP是一種新型數字視頻傳輸接口，具有帶寬高，傳輸距離遠的優點，是未來數字視頻傳輸的一個重要發展方向，但是現階段其主要技術及專利在幾家公司的控制下，推廣較慢，成熟的工業相機種類較少，限制了其應用。Camera Link接口是專業視覺處理接口，具有實時性高，抗干擾能力強，傳輸帶寬高的優點，缺點是傳輸距離近。

Camera Link視頻格式采用并行數據傳輸格式，非常適合后端實時處理系統，如圖像處理、目標檢測、目標跟蹤等。隨著光纖傳輸技術的發展，使高速、寬帶數據傳輸不再是問題，因此，Camera Link數字視頻接口會在實時系統中得到越來越廣泛的應用。

5　小結

數字視頻接口在民用和安防系統的應用已經很廣泛，主要以后端“看”(視頻顯示)為需求發展傳輸和顯示相關技術。軍用領域的應用以前端“看”(視頻采集)為需求發展高速視頻記錄和輸出相關技術。在生活中，人們往往只關注后端“看”的接口技術發展，如用于高清顯示的SDI，DVI，HDMI，DisplyPort接口，而對前端高速實時攝取、實時處理的Camera Link，Gige，CXP接口的應用情況知之甚少，因為前端“看”是設備“看”不是人“看”。綜上所述，前、中、后端的數字視頻接口應用特點雖然有所區別，但是總體趨勢都是向攝取速度更高、傳輸帶寬更寬、分辨率更高的方向發展。

[1]戴輝. 數字視頻技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2012.

[2]侯自強. 數字視頻技術進展[J]. 中國圖象圖形學報，1996(1)：58-63.

[3]李世萍. 演播室數字視頻信號格式的選擇[J]. 電視工程， 2000(2)：28-29.

[4]朱齊丹，劉進業，康嶺. Camera Link硬件接口電路設計[J]. 應用科技，2008，35(10)：57-60。

[5]黃慶敏，羅健. HDMI接口標準及應用設計[J]. 電視技術，2007，31(2)：32-34.

[6]花再軍，黃鳳辰，陳釗. GigE Vision 接口攝像機及其應用[J]. 微型機與應用，2011，30(21)：92-94.

Application of interfaces in digital video system

LI Xiangjun

(NavyMilitaryRepresentativesinXi’an20Institute，Xi’an710068，China)

With the development of technology， the digital video interface instead of the analog interface has become a main way in all kinds of video application. The common analog and digital interfaces are listed in this paper， and their characteristics and application in the front-end and back-end of video system are introduced. Based on the analysis of the performance of each interface and the needs of actual military， Camera Link is shown as the main development and application direction of military electro-optical device. In the view of the development trend， the future digital interface will be faster in acquisition， wider in transmission and higher in resolution.

digital video； interface； Camera Link

TP391

BDOI： 10.16280/j.videoe.2016.10.008

2016-08-09

文獻引用格式：李向軍.數字視頻系統接口應用 [J].電視技術，2016，40(10)：37-40.

LI X J.Application of interfaces in digital video system[J].Video engineering，2016,40(10)：37-40.

李向軍(1962— )，高級工程師，長期從事軍用光電技術及高速視頻接口技術研究。

責任編輯：時雯