數(shù)字視頻接口技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字視頻接口技術(shù)的發(fā)展

視頻技術(shù)的應(yīng)用改變了人們的生活。電影、電視、計(jì)算機(jī)、手機(jī)和手機(jī)通過視頻廣播將真實(shí)場景、故事和小說表達(dá)為圖像形式，允許人們參觀和看到現(xiàn)場發(fā)生的事情。如果你不會(huì)直接看到他人，你就能理解他人的想法。數(shù)字視頻技術(shù)的應(yīng)用提高了圖像的分辨率,改善了圖像的質(zhì)量,使人們享受更高品質(zhì)的圖像1模擬視頻技術(shù)在軍民融合領(lǐng)域的應(yīng)用在民用領(lǐng)域,視頻技術(shù)主要用于電影、廣播電視,屬于非實(shí)時(shí)系統(tǒng),或者說對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng),如圖1所示。在圖1中,先期制作好的節(jié)目源經(jīng)過編碼后進(jìn)行傳輸,在接收端進(jìn)行解碼后傳送到終端顯示在安防領(lǐng)域,視頻技術(shù)也被廣泛應(yīng)用,如監(jiān)控系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、無人機(jī)攝像等,這類系統(tǒng)為專用視頻系統(tǒng),也是實(shí)時(shí)性系統(tǒng)。因?yàn)榍岸藬z像機(jī)直接攝取視頻,不需要專門的制作編輯,直接傳輸?shù)胶蠖?如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于小范圍民宅區(qū)域的監(jiān)視,視頻會(huì)議主要用于跨區(qū)域會(huì)議的現(xiàn)場互動(dòng),無人機(jī)視頻編碼后通過無線傳輸?shù)降孛?或現(xiàn)場保存圖像,落地后人工拷貝數(shù)據(jù)。在軍用領(lǐng)域,視頻技術(shù)還應(yīng)用于光電系統(tǒng)中,如光電跟蹤系統(tǒng)、光電偵察系統(tǒng)等,這類系統(tǒng)經(jīng)常裝備于飛機(jī)、艦艇、坦克、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等平臺(tái)系統(tǒng)中,主要完成戰(zhàn)場區(qū)域感知(偵察)和目標(biāo)跟蹤(攻擊)的任務(wù),如圖3所示。這類系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性非常強(qiáng),實(shí)時(shí)性越好,系統(tǒng)精度越高。在民用、軍民融合領(lǐng)域中,模擬視頻技術(shù)早已升級(jí)為數(shù)字化視頻技術(shù),并得到廣泛應(yīng)用。而在軍用領(lǐng)域,由于受實(shí)時(shí)性的限制,數(shù)字化視頻技術(shù)在高速系統(tǒng)中的應(yīng)用才剛剛起步。2模擬視頻接口早期的攝像機(jī)主要采用模擬視頻接口,相應(yīng)的后端顯示設(shè)備采用與前端相同格式或與計(jì)算機(jī)接口的格式。常用的模擬視頻格式及接口主要有:1f/s幀/秒PAL制式為彩色廣播電視的彩色電視機(jī)體制,每幀625行,25f/s(幀/秒),隔行掃描,場頻為50Hz,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2國家或世界NTSC制式也是彩色廣播電視的彩色電視機(jī)體制,視頻格式為每幀525行,30f/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(wěn)定。輸入輸出接口形式與PAL制相同,均為BNC接口。3s信號(hào)傳輸接口S端子(全稱SeparateVideo)是二分量傳輸?shù)囊曨l接口,只傳輸視頻信號(hào),不傳輸音頻信號(hào)。視頻信號(hào)的亮度和色度是分開傳輸?shù)?避免了設(shè)備內(nèi)信號(hào)干擾而產(chǎn)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(jī)、電視機(jī)、DVD播放機(jī)、游戲機(jī)等家庭視頻設(shè)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(hào)。傳輸距離不宜太長,對(duì)于品質(zhì)差的S端子,電纜長度超過5m,易失真較大。4基于v的3dv、crt和ve的視頻壓力VGA(VideoGraphicArray)是一種視頻圖形陣列接口,是計(jì)算機(jī)模擬顯示器顯示標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào),而計(jì)算機(jī)使用CRT顯示器顯示模擬信號(hào),所以計(jì)算機(jī)的顯卡必須將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的視頻信號(hào)供CRT顯示器用。VGA將視頻信號(hào)分解為R、G、B三原色和HV行場信號(hào)進(jìn)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1080p高清視頻信號(hào)。VGA采用15針的D型專用視頻接口,目前主要應(yīng)用在電腦顯示器上。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,CRT顯示器已被淘汰,PAL、NTSC、S端子等模擬視頻接口應(yīng)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(yīng)用的計(jì)算機(jī)顯示接口。3數(shù)字視頻方面,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的主由于環(huán)保、節(jié)能要求以及液晶顯示技術(shù)的發(fā)展,CRT顯示器逐步淘汰,液晶顯示器(LCD)被廣泛應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用,使得模擬視頻向數(shù)字視頻方向發(fā)展。近年來隨著高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的出現(xiàn),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(zhì)的圖像。數(shù)字視頻接口形式種類較多,有CameraLink、SDI、1394等數(shù)字相機(jī)接口,也有DVI、HDMI、DisplayPort等數(shù)字顯示接口,主要針對(duì)應(yīng)用的設(shè)備不同,采取不同的接口形式。1高速攝像機(jī)接口CameraLink接口為相機(jī)端接口,視頻傳輸為實(shí)時(shí)無壓縮格式,是一種針對(duì)高幀頻、高分辨率數(shù)字相機(jī)的專用通信協(xié)議接口,使用低壓差分信號(hào)LVDS傳輸,包括5對(duì)差分信號(hào)用于傳輸視頻數(shù)據(jù),4對(duì)差分信號(hào)用于并行傳輸相機(jī)控制信號(hào),2對(duì)差分信號(hào)用于相機(jī)和主機(jī)之間進(jìn)行異步串行通信,其中視頻數(shù)據(jù)信號(hào)采用ChannelLink協(xié)議高速攝像機(jī)主要采用CameraLink接口,最高幀頻為500Hz,分辨率可以達(dá)到百萬像素(1280×1024),主要用于靶場彈道測(cè)量、汽車碰撞試驗(yàn)、體育競技等高速運(yùn)動(dòng)場景的攝像方面。然而,CameraLink接口兼容性不佳,因?yàn)槊總€(gè)廠家產(chǎn)品的時(shí)鐘頻率都不一定相同,因此,后端設(shè)備選用,最好也選用同一廠家的設(shè)備。該接口傳輸時(shí)鐘的最高頻率為85MHz,最大傳輸能力為5.44Gbit/s。接口為26芯D型接口,基模式采用1個(gè)D型接口,中模式和全模式均采用2個(gè)D型接口,傳輸電纜為專用電纜,傳輸距離最長不超過15m。2hd-sdi接口SDI接口為相機(jī)端接口,是一種數(shù)字分量串行接口,視頻傳輸為實(shí)時(shí)無壓縮格式,沒有IP網(wǎng)絡(luò)接口的延時(shí)問題。SDI接口有SD-SDI,HD-SDI,3G-SDI三種類型。SD-SDI為標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字視頻接口,最大分辨率為720×576。HD-SDI是一種廣播級(jí)的高清標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻接口,最大分辨率可以達(dá)到1920×1080。3G-SDI是高幀、高清數(shù)字視頻接口,其幀頻可以達(dá)到50~60Hz,而SD-SDI和HD-SDI的幀頻為25Hz。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(dá)到100m,因此,工程化程度比較好。SD-SDI,HD-SDI和3G-SDI傳輸速率分別為270Mbit/s,1.485Gbit/s和2.97Gbit/s。3e1394接口為USB接口標(biāo)準(zhǔn),主要用于方便計(jì)算機(jī)采集視頻數(shù)據(jù)的數(shù)字接口。4dvi2.0、dvi2.0現(xiàn)狀及信號(hào)傳輸碼流DVI(DigitalVisualInterface)接口,是一種數(shù)字顯示接口標(biāo)準(zhǔn)。DVI有DVI1.0和DVI2.0兩種標(biāo)準(zhǔn),最高分辨率可達(dá)1600×1200×60,傳輸圖像的最高像素時(shí)鐘為165MHz,信道中的最高信號(hào)傳輸碼流為1.65Gbit/s。DVI技術(shù)在計(jì)算機(jī)顯示輸出領(lǐng)域得到了迅速運(yùn)用,但是伴隨著數(shù)字高清影音技術(shù)的發(fā)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(shù)字影像技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。5hd接口HDMI(HighDefinitionMultimedia)是高清晰度多媒體接口,是在DVI協(xié)議的基礎(chǔ)上制定開發(fā)的6高清效、低視頻傳輸GigeVision是一種基于千兆以太網(wǎng)的圖像傳輸標(biāo)準(zhǔn),具有傳輸距離長(無中繼時(shí)100m),傳輸效率高可向上升級(jí)為萬兆網(wǎng)、通信控制方便、軟硬件互換性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)7cxpCXP接口即CoaXPress接口,是一種專門為視頻傳輸建立的非對(duì)稱的高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。該接口使用單根或多根同軸電纜連接到主機(jī),可實(shí)現(xiàn)最高6.25Gbit/s的下行數(shù)據(jù)傳輸和20Mbit/s的上行通信控制傳輸。相對(duì)于CameraLink,CXP可以提供更高的帶寬,傳輸距離更遠(yuǎn),并且其使用與模擬設(shè)備相同的同軸電纜,可以方便地將模擬視頻升級(jí)為數(shù)字視頻。CoaXPress接口的傳輸容量比CameraLink和GigEVision更大,可能是未來機(jī)器視覺領(lǐng)視頻接口應(yīng)用的發(fā)展方向。8顯示端數(shù)字視頻接口DisplayPort是一種高清數(shù)字多媒體顯示接口。除了傳輸視頻信號(hào)外,還傳輸高品質(zhì)的音頻信號(hào)。DisplayPort支持2560×1440超高分辨率顯示,最大傳輸帶寬10.8Gbit/s,而HDMI接口最大傳輸帶寬為4.5Gbit/s。因此,DisplayPort性能優(yōu)于HDMI和DVI。從上面可以看到數(shù)字接口種類較多,標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前顯示端數(shù)字視頻接口應(yīng)用較多的是HDMI接口,主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。對(duì)于高速攝取實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng),軍用方面主要是CameraLink數(shù)字接口,民用方面為SDI接口,大容量傳輸兼顧圖像實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)采用GigeVision網(wǎng)絡(luò)接口。DisplayPort用于超高清系統(tǒng),CXP主要在機(jī)器視覺里有應(yīng)用,還不普及。4統(tǒng)一視頻監(jiān)控系統(tǒng)的分類盡管數(shù)字視頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用,但是主要分為兩類,一類為非實(shí)時(shí)性系統(tǒng),另一類為實(shí)時(shí)性系統(tǒng)。非實(shí)時(shí)性系統(tǒng)主要應(yīng)用在監(jiān)控、教育、宣傳等領(lǐng)域,特點(diǎn)為前端攝取速度要求不高,攝取速度一般為25f/s,分辨率為高清即可。光電產(chǎn)品主要以采用實(shí)時(shí)性系統(tǒng)為主,一般應(yīng)用于高速競技運(yùn)動(dòng)和軍用跟蹤測(cè)量領(lǐng)域。在競技運(yùn)動(dòng)中用于攝取瞬間的動(dòng)作,如鷹眼視頻、碰撞測(cè)量視頻系統(tǒng),主要特點(diǎn)是高速實(shí)時(shí)攝取,非實(shí)時(shí)處理。軍用測(cè)量應(yīng)用與競技類測(cè)量類同,但是速度更高,如彈道測(cè)量等。軍用跟蹤預(yù)警應(yīng)用要求實(shí)時(shí)攝取、實(shí)時(shí)處理,如圖3所示的系統(tǒng),輸出以控制信號(hào)為主,而不是以圖像顯示信號(hào)為主。因此,軍用跟蹤預(yù)警類的視頻系統(tǒng),后端實(shí)時(shí)處理要求更高。競技運(yùn)動(dòng)類用數(shù)字視頻系統(tǒng)主要采用GigeVision網(wǎng)絡(luò)接口,具有傳輸距離遠(yuǎn)、適用性強(qiáng)、且支持多個(gè)相機(jī)組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),但是其傳輸為非實(shí)時(shí),可能發(fā)生丟包等情況。CXP是一種新型數(shù)字視頻傳輸接口,具有帶寬高,傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn),是未來數(shù)字視頻傳輸?shù)囊粋€(gè)重要發(fā)展方向,但是現(xiàn)階段其主要技術(shù)及專利在幾家公司的控制下,推廣較慢,成熟的工業(yè)相機(jī)種類較少,限制了其應(yīng)用。CameraLink接口是專業(yè)視覺處理接口,具有實(shí)時(shí)性高,抗干擾能力強(qiáng),傳輸帶寬高的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是傳輸距離近。CameraLink視頻格式采用并行數(shù)據(jù)傳輸格式,非常適合后端實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),如圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤等。隨著光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展,使高速、寬帶數(shù)據(jù)傳輸不再是問題,因此,CameraLink數(shù)字視頻接口會(huì)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。5發(fā)展高速錄像視頻記錄和輸出相關(guān)技術(shù)數(shù)字視頻接口在民用和安防系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛,主要以后端“看”(視頻顯示)為需求發(fā)展傳輸和顯示相關(guān)技術(shù)。軍用