視頻矩陣的應用及分類

視頻矩陣的應用及分類

視頻矩陣-基本功能和要求

一個矩陣系統通常還應該包括以下基本功能：字符信號疊加；解碼器接口以控制云臺和攝像機；報警器接口；控制主機，以及音頻控制箱、報警接口箱、控制鍵盤等附件。對國內用戶來說，字符疊加應為全中文，以方便不懂英文的操作人員使用，矩陣系統還需要支持級聯，來實現更高的容量，為了適應不同用戶對矩陣系統容量的要求，矩陣系統應該支持模塊化和即插即用（PnP）的，可以通過增加或減少視頻輸入、輸出卡來實現不同容量的組合。

矩陣系統的發(fā)展方向是多功能、大容量、可聯網以及可進行遠程切換。一般而言矩陣系統的容量達到64×16即為大容量矩陣。如果需要更大容量的矩陣系統，也可以通過多臺矩陣系統級聯來實現。矩陣容量越大，所需技術水平越高，設計實現難度也越大。

矩陣的分類

隨著圖像信號技術的發(fā)展，和人類對音視頻視覺的提高；圖像信號的傳輸經過了幾個階段的發(fā)展，從AV視頻到色差分量（YPbPr），再到VGA信號，現在到DVI及HDMI、DISPLAYPORT等；在這過程中，由于應用方便的需要形成了信號矩陣切換，所以說在

每個信號階段都有相應的矩陣切換器；現在隨著IP技術和圖像壓縮技術的發(fā)展，形成了多媒體流（基于MPEG-4，H2.64）交換的虛擬矩陣器；

按照傳輸信號形式來分為：模擬矩陣切換器和數字矩陣切換器；

模擬矩陣切換器如下：

矩陣切換器的功能是將一路或多路視音頻信號分別傳輸給一個或者多個顯示設備，因此我們可以按照信號源的不同來分類矩陣切換器。也就是，根據想要切分的信號不同，來確定矩陣切換器的種類。矩陣切換器按信號源的類型可以分為：VGA、AV、V，YPbPr矩陣切換器等等。例如：VGA矩陣切換器就是輸入輸出信號為[]VGA信號的矩陣切換器。其它類型可以類推，這里就不再累述。下面將著重介紹一下信號源的種類。

VGA矩陣：

VGA（VideoGraphicsArray）即顯示繪圖陣列，是IBM于1987年提出的一個使用模擬信號的電腦顯示標準。VGA支持在640X480的較高分辨率下同時顯示16種色彩或256種灰度，同時在320X240分辨率下可以同時顯示256種顏色。VGA由于良好的性能迅速開始流行，廠商們紛紛在VGA基礎上加以擴充，如將顯存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，這些擴充的模式就稱之為VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation，視頻電子標準協會)的SuperVGA模式，簡稱SVGA，現在的顯卡和顯示器都支持SVGA模式。

VGA信號的組成分為五種：RGBHV，分別是紅綠藍三原色和行場同步信號。VGA傳輸距離非常短，實際工程中為了傳輸更遠的距離，人們把VGA線拆開，將RGBHV五種信號分離出來，分別用五根同軸電纜傳輸，這種傳輸方式叫RGB傳輸，習慣上這種信號也叫RGB信號，其實本質上RGB和VGA是沒有什么區(qū)別的。

VGA接口，也叫D-Sub接口。VGA接口是一種D型接口，上面共有15針空，分成三排，每排五個。VGA接口是顯卡上應用的接口類型，絕大多數的顯卡都帶有此種接口。目前大多數計算機與外部顯示設備之間都是通過模擬VGA接口連接，計算機內部以數字方式生成的顯示圖像信息，被顯卡中的數字/模擬轉換器轉變?yōu)镽、G、B三原色信號和行、場同步信號，信號通過電纜傳輸到顯示設備中。

RGB矩陣：

VGA信號的組成分為五種：RGBHV，分別是紅綠藍三基色和行場同步信號。VGA傳輸距離非常短，實際工程中為了傳輸更遠的距離，人們把VGA線拆開，將RGBHV五種信號分離出來，分別用五根同軸電纜傳輸，這種傳輸方式叫RGB傳輸，習慣上這種信號也叫RGB信號，其實信號本質上RGB和VGA是沒有什么區(qū)別。

RGB傳輸采用BNC加同軸電纜傳輸。RGB電纜有5個連接頭用于接收紅、綠、藍、水平同步和垂直同步信號。BNC接頭可以隔絕視頻輸入信號，使信號相互間干擾減少且信號頻寬較普通D-SUB大，可達到zui佳信號響應效果。

AV矩陣：

AV端口（又稱復合端口）原文為Compositevideoconnector，是家用影音電器用來傳送類比視訊如NTSC、PAL、SECAM的常見端口。AV端口通常是黃色的RCA端口，另外配合兩條紅色與白色的RCA端口傳送音訊。歐洲的電視機通常以SCART端口取代RCA端口，不過SCART的設計上可以載送畫質比YUV更好的RGB訊號，故也被用來連接顯示器、電視游樂器或DVD播放機。在專業(yè)應用當中，也有使用BNC端口以求獲得更佳訊號品質。

在AV端口中傳送的是類比電視訊號的三個來源要素：Y、U、V，以及作為同步化基準的脈沖信號。Y代表影像的亮度(luminance，又稱brightness)，并且包含了同步脈沖，只要有Y信號存在就可以看到黑白的電視影像。U信號與號之間承載了顏色的資料，U和V先被混合成一個信號中的兩組正交相位（此混合后的信號稱為彩度(chrominance)），再與Y信號作加總。因為Y是基頻信號而UV是與載波混合在一起，所以這個加總的動作等同于分頻多工。

數字矩陣切換器如下

DVI矩陣：

DVI（DigitalVisualInterface）接口，即數字視頻接口。它是1999年由SiliconImage、In（英特爾）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu(富士通)等公司共同組成DDWG（DigitalDisplayWorkingGroup，數字顯示工作組）推出的接口標準。

DVI接口是以SiliconImage公司的PanalLink接口技術為基礎，基于TMDS（TransitionMinimizedDifferentialSignaling，zui小化傳輸差分信號）電子協議作為基本電氣連接。TMDS是一種微分信號機制，可以將象素數據編碼，并通過串行連接傳遞。顯卡產生的數字信號由發(fā)送器按照TMDS協議編碼后通過TMDS通道發(fā)送給接收器，經過解碼送給數字顯示設備。

一個DVI顯示系統包括一個傳送器和一個接收器。傳送器是信號的來源，可以內建在顯卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出現在顯卡PCB上；而接收器則是顯示器上的一塊電路，它可以接受數字信號，將其解碼并傳遞到數字顯示電路中，通過這兩者，顯卡發(fā)出的信號成為顯示器上的圖象。

目前的DVI接口分為兩種：

一個是DVI-D接口，只能接收數字信號，接口上只有3排8列共24個針腳，其中右上角的一個針腳為空。不兼容模擬信號。另外一種則是DVI-I接口，可同時兼容模擬和數字信號。兼容模擬信號并不意味著模擬信號的接口D-Sub接口可以連接在DVI-I接口上，而是必須通過一個轉換接頭才能使用，一般采用這種接口的顯卡都會帶有相關的轉換接頭。

DVI信號，HDCP信號和HDMI信號針對VGA信號而言，如果排除各種協議的話，信號通道本質是一致的，都是DVI信號。因此先介紹DVI信號的特點。

在模擬顯示方式中，將待顯示的數字R.G..B信號（8bit并行信號）在顯卡中經過D/A轉換成模擬信號，傳輸后進入顯示器，經處理后驅動R.G..B電子槍，顯示到熒光屏上，整個過程是模擬的。而數字顯示方式不同，模擬的R.G.B信號到達顯示設備后（LCD或DLP，PDP等）經過A/D處理，轉換為數字信號，隨后由數字信號在TFTLCDsourcedriver中通過DAC轉換變成模擬信號控制液晶板透射或反射光線或DMD晶片反射光線或由等離子體發(fā)光，達到顯示的效果。在這個過程中明顯地存在一個由數字→模擬→數字→模擬的轉換過程，信號損失較大（一次A/D，D/A過程將在頻譜上損失6dB，帶寬zui大保留為像素時鐘的1/2），并且會存在諸如拖尾，模糊，重影等傳輸問題。當前帶有數字接口的計算機顯卡已經相當普遍，甚至筆記本電腦也配備了DVI接口，顯示設備中也是越來越多的設備帶有數字信號接口，因此數字→數字方式的應用環(huán)境已經成熟。

DVI原理上是將待顯示的R.G.B數字信號與H.號進行組合編碼，每個像素點按10bit的數字信號按zui小非歸零編碼方式進行并→串轉換，把編碼后的R.G..B數字串行碼流與像素時鐘等4個信號按照平衡方式進行傳輸，其每路碼流速率為原像素點時鐘的10倍，以1024×768×70的分辨率為例，碼流時鐘為70MHz×10，折合為0.7GHZ。一般DVI1.0的碼流在0.24GHZ到1.65GHZ之間。

DVI有DVI1.0和DVI2.0兩種標準，其中DVI1.0僅用了其中的一組信號傳輸信道，傳輸圖像的zui高像素時鐘為165M（1600RGB*1200@60Hz，UXGA），信道中的zui高信號傳輸碼流為1.65GHz。DVI2.0則用了全部的兩組信號傳輸信道，傳輸圖像的zui高像素時鐘為330M，每組信道中的zui高信號傳輸碼流也為1.65GHz。在顯示設備中，目前還沒有DVI2.0的應用，因此本文所討論的DVI都是指DVI1.0標準。

HDMI矩陣：

HDMI（High－DefinitionMultimediaInterface）又被稱為高清晰度多媒體接口，是*支持在單線纜上傳輸，不經過壓縮的全數字高清晰度、多聲道音頻和智能格式與控制命令數據的數字接口。HDMI接口由SiliconImage美國晶像公司倡導，聯合索尼、日立、松下、飛利浦、湯姆遜、東芝等八家的消費類電子制造商聯合成立的工作組共同開發(fā)的。HDMIzui早的接口規(guī)范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的zui高版本是于今年6月發(fā)布的HDMI1.3規(guī)范。

HDMI源于DVI接口技術，它們主要是以美國晶像公司的TMDS信號傳輸技術為核心，這也就是為何HDMI接口和DVI接口能夠通過轉接頭相互轉換的原因。美國晶像公司是HDMI八個發(fā)起者中*的集成電路設計制造公司，是高速串行數據傳輸技術領域的，因為下面要提到的TMDS信號傳輸技術就是它們開發(fā)出來的，所以這里稍微提及一下TMDS（TransitionMinimizedDifferentialSignaling）也被稱為zui小化傳輸差分信號，是指通過異或及異或非等邏輯算法將原始信號數據轉換成10位，前8為數據由原始信號經運算后獲得，第9位指示運算的方式，第10位用來對應直流平衡（DC-balanced，就是指在編碼過程中保證信道中直流偏移為零，電平轉化實現不同邏輯接口間的匹配），轉換后的數據以差分傳動方式傳送。這種算法使得被傳輸信號過渡過程的上沖和下沖減小，傳輸的數據趨于直流平衡，使信號對傳輸線的電磁干擾減少，提高信號傳輸的速度和可靠性。

一般情況下，HDMI連接由一對信號源和接受器組成，有時候一個系統中也可以包含多個HDMI輸入或者輸出設備。每個HDMI信號輸入接口都可以依據標準接收連接器的信息，同樣信號輸出接口也會攜帶所有的信號信息。HDMI數據線和接收器包括三個不同的TMDS數據信息通道和一個時鐘通道，這些通道支持視頻、音頻數據和附加信息，視頻、音頻數據和附加信息通過三個通道傳送到接收器上，而視頻的像素時鐘則通過TMDS時鐘通道傳送，接收器接受這個頻率參數之后，再還原另外三個數據信息通道傳遞過來的信息。

HDMI在針腳上和DVI兼容，只是采用了不同的封裝。與DVI相比，HDMI可以傳輸數字音頻信號，并增加了對HDCP的支持，同時提供了更好的DDC可選功能。HDMI支持5Gbps的數據傳輸率，zui遠可傳輸15米，足以應付一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號。而因為一個1080p的視頻和一個8聲道的音頻信號需求少于4GB/s，因此HDMI還有很大余量。這允許它可以用一個電纜分別連接DVD播放器，接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的設備具有“即插即用”的特點，信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”，自動選擇zui合適的視頻/音頻格式。HDMI接口支持HDCP協議，為看有版權的高清電影電視打下基礎

包交換型虛擬矩陣器：

包交換型虛擬矩陣器是通過包交換的方式(通常是IP包)實現圖像數據的傳輸和切換。包交換型矩陣目前已經比較普及，比如已經廣泛應用的遠程監(jiān)控中心，即在本地錄像端把圖像壓縮，然后把壓縮的碼流通過網絡（可以是高速的專網、internet、局域網等）發(fā)送到遠端，在遠端解碼后，顯示在大屏幕上。包交換型數字矩陣目前有兩個比較大的局限性：延時大、圖像質量差。由于要通過網絡傳輸，因此不可避免的會帶來延時，同時為了減少對帶寬的占用，往往都需要在發(fā)送端對圖像進行壓縮，然后在接收端實行解壓縮，經過有損壓縮過的圖像很難保證較好的圖像質量，同時編、解碼過程還會增大延時。所以目前包交換型矩陣還無法適用于對實時性和圖像質量要求比較高的場合。比較適合監(jiān)控使用，不法滿足電視和會議的要求