數(shù)字視頻系統(tǒng)接口應(yīng)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(shù)字視頻系統(tǒng)接口應(yīng)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(shù)發(fā)展，數(shù)字視頻接口逐步替代模擬視頻接口，成為視頻產(chǎn)生、傳輸、顯示、存儲(chǔ)的主要方式。列舉了常用的模擬和數(shù)字接口，闡述了視頻系統(tǒng)前端與后端數(shù)字視頻接口的特點(diǎn)及應(yīng)用情況。通過分析各個(gè)端口的性能和實(shí)際軍事需要，得出Camera Link接口是現(xiàn)在軍用光電產(chǎn)品中的主要發(fā)展和應(yīng)用方向。并且從接口的發(fā)展趨勢(shì)來看，未來的數(shù)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(fā)展。

數(shù)字視頻；接口；Camera Link

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)等通過視頻播放將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、故事、小說以圖像的形式顯現(xiàn)在人們面前，使人們不用到現(xiàn)場(chǎng)就可以看見現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的事情；不用親自見某人，就可以了解某人的想法。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]。

1　應(yīng)用方案

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[2]。節(jié)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(gè)解碼器和終端顯示設(shè)備就可以了，如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等終端設(shè)備。

圖1民用視頻系統(tǒng)

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(chǎng)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(chǎng)保存圖像，落地后人工拷貝數(shù)據(jù)。

圖2專用視頻系統(tǒng)

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(chǎng)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。

圖3　實(shí)時(shí)性專用視頻系統(tǒng)

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：

1)PAL制視頻接口

PAL制式為彩色廣播電視的彩色電視機(jī)體制，每幀625行，25 f/s(幀/秒)，隔行掃描，場(chǎng)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(dá)到100 m以上。早期的攝像機(jī)、監(jiān)視器、視頻矩陣切換與分配器等視頻設(shè)備上均采用PAL視頻接口，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)中。PAL制傳輸視頻，性能穩(wěn)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(jī)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(wěn)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?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)模苊饬嗽O(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(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(chǎng)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1 080p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)字視頻接口

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Camera Link、 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)Camera Link接口

Camera Link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Channel Link協(xié)議[4]。Camera Link視頻傳輸有基模式(Base)、中級(jí)模式(Medium)和全模式(Full)3種模式，在全模式下，1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以最多傳輸8 byte數(shù)據(jù)。

高速攝像機(jī)主要采用Camera Link接口，最高幀頻為500 Hz，分辨率可以達(dá)到百萬像素(1 280×1 024)，主要用于靶場(chǎng)彈道測(cè)量、汽車碰撞試驗(yàn)、體育競技等高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的攝像方面。然而，Camera Link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(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15 m。

2)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1 920×1 080。3G-SDI是高幀、高清數(shù)字視頻接口，其幀頻可以達(dá)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(dá)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(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。

4)DVI接口

DVI(Digital Visual Interface)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)1 600×1 200×60， 傳輸圖像的最高像素時(shí)鐘為165 MHz，信道中的最高信號(hào)傳輸碼流為1.65 Gbit/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。

5)HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia)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[5]。在視頻傳輸時(shí)，HDMI和DVI可以兼容，但HDMI強(qiáng)化了音頻傳輸能力，可以以數(shù)碼形式同時(shí)傳輸未經(jīng)壓縮的高清視頻和多聲道音頻信號(hào)。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(shí)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(shí)鐘頻率。與DVI相比，HDMI接口的體積更小，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5 Gbit/s，最遠(yuǎn)可傳輸15 m，足以應(yīng)付一個(gè)1 080p的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)。

6)Gige Vision網(wǎng)絡(luò)接口

Gige Vision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)100 m)，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)[6]。為了兼容視頻數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，Gige Vision比標(biāo)準(zhǔn)千兆網(wǎng)在最大數(shù)據(jù)包和DMA控制上進(jìn)行了提升。其采用的“Jumbo packet”最大支持16 224 byte，并且其CPU中斷數(shù)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(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6.25 Gbit/s的下行數(shù)據(jù)傳輸和20 Mbit/s的上行通信控制傳輸。相對(duì)于Camera Link，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Camera Link和GigE Vision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)DisplayPort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(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Camera Link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Gige Vision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　光電產(chǎn)品中數(shù)字視頻應(yīng)用

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25 f/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Gige Vision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。Camera Link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。

Camera Link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，Camera Link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　小結(jié)

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)。軍用領(lǐng)域的應(yīng)用以前端“看”(視頻采集)為需求發(fā)展高速視頻記錄和輸出相關(guān)技術(shù)。在生活中，人們往往只關(guān)注后端“看”的接口技術(shù)發(fā)展，如用于高清顯示的SDI，DVI，HDMI，DisplyPort接口，而對(duì)前端高速實(shí)時(shí)攝取、實(shí)時(shí)處理的Camera Link，Gige，CXP接口的應(yīng)用情況知之甚少，因?yàn)榍岸恕翱础笔窃O(shè)備“看”不是人“看”。綜上所述，前、中、后端的數(shù)字視頻接口應(yīng)用特點(diǎn)雖然有所區(qū)別，但是總體趨勢(shì)都是向攝取速度更高、傳輸帶寬更寬、分辨率更高的方向發(fā)展。

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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(xiàn)引用格式：李向軍.數(shù)字視頻系統(tǒng)接口應(yīng)用 [J].電視技術(shù)，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(jí)工程師，長期從事軍用光電技術(shù)及高速視頻接口技術(shù)研究。

責(zé)任編輯：時(shí)雯