多種視頻傳輸方式的應用研究

◆陳鍇然

多種視頻傳輸方式的應用研究

◆陳鍇然

(西安電子科技大學軟件學院 陜西 710126)

視頻傳輸技術廣泛應用于生活，不管是計算機與顯示器之間，還是攝像機與切換臺之間，都需要一種相同規格標準的接口來傳輸視頻信號。然而視頻傳輸還沒有一種完全統一的標準，不同輸入輸出設備上的接口也不盡相同。本文簡要介紹比較了不同視頻傳輸標準的傳輸方式與優劣，對應用的方法做出了簡要分析。

VGA；DVI；HDMI；視頻傳輸

0 前言

隨著科學技術的發展，各類顯示設備的圖像表現性能正在迅速提高。相應的，所需求的視頻傳輸的要求也越來越高。從最原始的模擬信號到數字信號，再到更優編碼的數字信號，視頻傳輸標準的帶寬也越來越高，下面對常用的標準作一個簡單比較。

1 標準介紹

1.1 VGA（Video Graphics Array）

VGA接口是較早的臺式計算機與監視器之間連接使用的最常用的接口。該標準由1987年隨PS/2個人電腦推出。VGA接口含有15個引腳。其中三對引腳用來傳輸RBG信號，兩個引腳傳輸行場信號（水平同步與垂直同步），其他用以I2C，供電，接地與保留。也就是說，VGA傳輸的是模擬信號。早期的顯示設備大多數是CRT設備，而CRT顯示器通常只可接受模擬信號輸入，這使得VGA接口標準得以廣泛應用，逐漸成為有最多制造商共同支持的視頻接口。然而隨著顯示技術的發展，CRT顯示器已經漸漸淘汰，取代而之的LCD/LED顯示器需要數字信號顯像。鑒于VGA接口的普遍性，很多液晶顯示器都提供了這種接口。但是由信號數字轉為模擬，再轉為數字，顯然是浪費成本并且降低質量的。而且模擬信號的傳輸是會因為衰減與干擾而影響傳輸質量的，所以使用VGA傳輸圖像時，畫面看起來可能達不到輸出端的標準。

1.2 DVI（Digital Visual Interface）

DVI名叫數字視頻接口，是通過最小化傳輸差分信號技術（TMDS）來編碼數字信號的一種視頻傳輸接口標準。通過數字信號傳輸圖像，不僅可以免去二次轉換的花費，還可以消除模擬信號傳輸時信號衰減對圖像質量的影響，所以DVI實際應用起來比VGA的效果看起來要好一些。現在常用的DVI標準有（單/雙通道的）DVI-I和DVI-D，由于一個通道的TMDS編碼只可以支持165MHZ（4.95GB/s）的傳輸速率，所以單通道DVI最大支持1920*1200分辨率的60幀圖像傳輸。雖然DVI解決了信號衰減的問題，但是設計上與執行上還是有很多不統一的地方。如一個link的TMDS傳輸數據只需要4對引腳，就算加上接地與預留也不需要太多，而滿編的的DVI有24+4個引腳，接口龐大的體積也限制了DVI的應用。另外，雖然DVI采用的TMDS編碼也可以同時納入音頻信號，然而接收端常常是沒有揚聲器的LCD/LED顯示器，只是接口（或線纜）將傳輸音頻的引腳置空，所以很多人忽略了DVI的音頻傳輸能力。

1.3 HDMI（High Definition Multimedia Interface）

HDMI字面意思為高清晰度多媒體接口，顯然除了圖像外還包括音頻信息。HDMI與DVI同樣采用TMDS編碼技術。最常見的TypeA的HDMI含有19個引腳，有12個引腳用于TMDS的傳輸及時序同步，剩下的引腳提供CEC，DDC，接電等功能。HDMI引腳排列密集，接口體積很小（只比TypeA的USB大一點），使用起來比DVI與VGA要方便很多，因此現在大部分筆記本電腦上都配備了HDMI接口。雖然HDMI有著方便易用的優點，然是也有著如下缺點：

（1）HDMI線纜在距離上衰減非常嚴重，普通HDMI線纜長度難以超過10米，所以難以用來連接大型（或遠距離）屏幕；

（2）普通的A型HDMI仍然采用TMDS編碼，因此分辨率難以超過1920*1200。

1.4 DP（DisplayPort）

在4K分辨率與144Hz刷新率逐漸普及的環境下，前三種視頻傳輸方式顯然不能滿足如今的畫面需求。2006年5月，視頻電子標準協會制定了新的DisplayPort標準。DP接口共有20個引腳，12個引腳用于傳輸四個通道的正負差分信號以及四個接地，其他引腳提供一個附屬通道與接電，熱拔插檢測等功能。DP的引腳看起來與HDMI沒有太大區別，都是通過4對引腳傳輸主要數據。但不同的是，DP采用了數據包化的數據傳輸技術，相比于TMDS，可以傳輸的數據率顯著提高。在1.3版本的DP標準中甚至將帶寬增加到了32.4Gbps，除去編碼中的同步與校驗信息，有效帶寬也有25.92Gbps，所以DP接口可以支持到120Hz的4k圖像或30Hz的8k圖像，在現階段來看已經滿足了絕大部分的視頻傳輸要求。DP標準除了傳輸圖像與音頻，甚至還可以攜帶更多其他自定義數據（如USB），這更大地方便了線纜的連接。現在較新的，配備DP接口的顯示器大部分也都會配備揚聲器與USB接口，以充分利用DP標準來與主機之間傳輸數據。

2 實際應用。

2.1計算機視頻信號的接出

首先，如果分辨率要求大于2K，則使用DP連接最佳。分辨率沒有太高要求的話，則在接口盡量不作轉換的前提下優先使用HDMI，次之是DVI。如果顯示設備只可接受VGA輸入（老式顯示器與許多投影儀）而顯卡不提供VGA輸出的話，則盡量以DVI轉VGA為佳。因為DVI在某種制式下也可以提供模擬輸出。而若使用HDMI輸出的話則需要一個方盒大小的轉換器作數字/模擬信號轉換，比較麻煩。雖然支持VGA的廠商數量眾多，但是應該逐漸淘汰。

2.2視頻輸出與電視的連接

現在的電視基本都會配備HDMI接口，所以連接比較方便。但是部分老式的電視接受VGA以及分量接口（紅綠藍三色接口，傳輸紅綠藍信號或者明度色差信號），此時使用VGA線纜直連效果可能不如HDMI轉分量接口連接電視效果好。具體連接方式還要視情況而定。

2.3廣播攝像機圖像信號的接出

廣播攝像機與其他設備的視頻輸出無太大差異，但是一般要求距離比較遠。由于很多情況數個攝像機需要將圖像傳輸至同一個位置（切換臺），所以需要長度從十幾米到近百米不等。此時使用上述四種連接方式顯然都不顯示。可能有極少數的HDMI光纜可以滿足50米以上的信息傳輸，但這種線纜的成本比普通線纜可以高出上百倍。為此，許多攝像機都提供了SDI（serial digital interface）輸出，即在將視頻信息調制成未壓縮的串行數字信號，使用NRZI技術通過同軸電纜（或光纖）來傳輸，這種傳輸嚴格意義上并不是一種視頻信號的標準，但是卻有效地做到了視頻信號的延長。現在廣播攝像機與切換臺，采集卡等設備已經有很多都開始提供HD-SDI接口，方便人們把視頻信息先接受再處理。

2.4近距離無線實時視頻傳輸的構想

普通信息的無線傳輸過程一般為：信息輸出至發射器進行調制，使用一定波段的電磁波，遵循一定的標準（或使用無線網絡作為載體），傳達至接收器，接收器解調得到信息。而現在的無線設備一般分兩類，一類是對實時性有很高的要求，然而傳輸的信息量很少，如遙控器、無線鼠標、鍵盤等；另一類則是要傳輸的信息量很大卻對實時性要求較低，如網絡（網絡中需要嚴格實時的信息量一般也很小）。使用無線技術傳輸視頻時（如直播時攝像機到切換臺的傳輸）要同時滿足信息量與實時性，是視頻無線傳輸的一大難點。現在部分無人機使用WIFI作為載體連接無人機于遙控器，然而因為視頻信號需求的帶寬過于龐大，與WIFI信號的距離限制，很容易出現信號模糊或中斷的現象。所以除非必要，無限視頻傳輸還是很少被使用。

3 總結

目前，圖像輸出設備與顯示設備的發展仍然沒有停下腳步的趨勢。所以視頻傳輸的標準也在不斷升級與完善。如今各個能利用的頻段幾乎都有大量的電磁波在傳送有用的或者是冗余的數據。在將來各類無線標準經過整理并趨于穩定后，如果利用一些空余的波段進行無線視頻標準制定，無線視頻傳輸的質量得到保障后，視頻的傳輸或許會方便許多。

[1]謝振芳.HDMI信號轉SDI信號設計[J].電子世界，2017.

[2]金永明，蔣韜. DP與DVI接口在4K顯示器上疊加顯示的電路設計[J].山東工業技術，2016.