【視頻處理】模擬視頻信號及其傳輸

要寫視頻解惑篇，有必定的難度，在這個論壇上的人，水平良莠不齊，太深奧你們望而卻步，太膚淺又很難說明問題，視頻解惑篇雖然寫出來了，但不知對你們有沒有幫助，我本身是計算機方面的技術人員，不是專業從事視頻方面工做的，因此寫出來的文章專業人士不要見笑。
歡迎你們批評指正，和提出問題但願我能解答。

1．什麼是R，G，B？
在幾乎全部視頻技術標準中，有一個重要的問題就是彩色信息的表述方法，也就是如何讓顯示設備還原出天然界的真實色彩。研究發現天然界景物的絕大部分的彩色光都可以分解成獨立的紅、綠、藍三基色，即所謂的R、G、B三基色原理 。(R/RED/紅色，G/GREEN/綠色，B/BLUE/藍色)
 隨着電子與數字技術的發展，使咱們能夠用一個固定的數字或變量來表示世界上的任何一種顏色，而RGB只是衆多顏色數字編碼中的一種，採用這種編碼方法，每種顏色均可以用三個變量來表示 ，即紅色、綠色、藍色的信號強度。要想記錄及顯示彩色圖像，RGB編碼是最多見的一種方案，咱們身邊能接觸到的彩色顯示設備幾乎都是採用的這種方案，電視機，電腦顯示器，液晶顯示方式等等。這些設備無論以前輸入的是什麼信號，最終都轉換成了RGB信號去激勵CRT(顯象管)或LCD(液晶板)來完成色彩的顯示還原。

2．彩色電視傳送方式
談這個問題，是要你們對後面的問題先有個基本的認識。並將一些專用名詞帶出來
1)什麼是電視制式
簡單的說就是如何將R，G，B信號分解，傳送和組合，接收再解調出R,G,B信號等流程中所使用的方式。
2)什麼是兼容性彩色電視制式
自彩色電視問世以來，各國選用的彩色電視制式都不一樣，但都在研究如何實現與本國黑白電視的兼容問題(那年頭是黑白電視的天下)，結果代表，兼容性彩色電視制式必須具有如下幾個條件(和黑白電視)：
[1]使用與黑白電視相同的帶寬
[2]相同的伴音與圖象載頻
[3]相同的掃描頻率與複合同步信號(H/V SYNC)
[4]有一基本的亮度信息(Y),傳送同一景物圖像時，和黑白電視圖像要相同
[5]色度信息(C)用一個輔助信號傳送，以便於在電視機中容易與亮度信息(Y)分開。
[6]傳送的色度信息(C)不能影響黑白電視的接收
「Y」表明明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰度值(明暗的變化)；
色度(C)(Chrominance或Chroma)，做用是描述影像色彩及飽和度，用於指定像素的顏色。
說白了，當時但是黑白電視的天下，不兼容黑白電視要想推廣是很難的，如同如今手機的CDMA不兼容GSM的下場。當時黑白電視的主要標準是採用625行(H),50場(V)掃描制時，亮度信號帶寬約6MHz,所以必須在6MHz帶寬內同時傳送亮度信息(Y)和色度信息(C)，不然沒法實現兼容。
因而各類兼容性彩色電視制式的大戰開始了，最後三國誕生統領天下(跑題了)，那就是PAL,NTSC,SECAM，它們各有優缺點，誰都不能輕易將對手戰勝，但SECAM只有法國，前蘇聯等極少數國家使用，咱們幾乎接觸不到，這裏就只談咱們偉大祖國和歐洲大部分國家使用的PAL制 和美國，日本及臺灣使用的 NTSC制.

3)什麼是NTSC制
NTSC制是美國在1953年時研究出來的一種兼容性彩色電視制式，該制式從人眼的彩色視覺出發，對R,G,B信號進行從新組合，並採用了頻譜間置以及正交平衡調幅，同步檢波等技術。因爲出道最先，它的缺點是傳送過程當中容易出現色調失真(偏色)。

4)什麼是PAL制
1962年前聯邦德國爲了克服NTSC制容易出現色調失真的缺點，在NTSC制的基礎上，研究出來PAL制這一種兼容性彩色電視制式，PAL制採用了逐行倒相等技術(注。是逐行倒相，不是逐行掃描技術)，避免將整個色度信號的倒相處理，解決了偏色問題，但解調方法也變的複雜起來。

3．什麼是複合同步信號(H/V SYNC)
要想電視等設備顯示出一幅完整的圖像(都是由一個個的像數點組成)，只有R,G,B信號是不夠的，你還得告訴電視這個像數點該在屏幕的什麼位置顯示。顯示何種顏色是由R,G,B信號決定，該在屏幕的那裏顯示就是由行場同步信號(H/V SYNC)決定的。爲了你們比較好理解，這裏就不談具體原理，簡單的說一個像數點的在水平方向的位置是有行同步信號(H)決定的，垂直方向的位置由場同步信號(V)決定，同時行場同步信號還決定畫面的垂直分解率和一秒內所顯示的幀數。將行同步信號和場同步信號複合在一塊兒成爲一個信號就稱複合同步信號，不一樣的電視制式(PAL,NTSC)的行場同步信號(H/V SYNC)是不一樣的，但相對是固定的。如常見的中國PAL-D(H:15625Hz/V:50Hz)  日本NTSC 3.58(H:15750Hz/V:60Hz)

4．什麼是分解率
電視的清晰度既分解率通常用垂直方向和水平方向的分解率來表示。垂直分解率與行掃描數(H)密切相關。掃描行數越多越清晰(行同步信號頻率越高)、分解率就越高。我國電視(PAL制)圖像的垂直分解率爲575行或稱575線(行同步信號頻率15625Hz)。但這只是一個理論值，實際分解率與掃描的有效區間和掃描方式有關，我國的電視接收機實際垂直分解率低於400線。
　　水平方向的分解率或像素數是由電視信號的上限頻率決定的。最複雜的電視圖像莫過於黑白方塊交錯排列的棋盤格圖案，根據這種圖案，加上我國目前規定的電視圖像信號(PAL制)的標稱頻帶寬度爲6MHz，能夠推出理論上我國電視信號的水平分解率約630線。
NTSC制的水平分解率理論上約525線(頻帶寬度爲4.5MHz)，垂直分解率理論上約爲580行(行同步信號頻率15750Hz)

5．什麼是全電視信號
全電視信號定義爲包括亮度(Y)和色度(C)與複合同步信號(H/V)以及伴音信號的單路模擬信號。因爲有色度信號(關係到是用那種電視制式編碼的)的存在，因此全電視信號是分電視制式(PAL,NTSC)的。

6．什麼是複合視頻信號(AV)
　　複合視頻(Composite Video)信號也就是從全電視信號中分離出伴音後的視頻信號，這時的色度信號仍是間插在亮度信號的高端。因爲複合視頻的亮度和色度是間插在一塊兒的，在信號重放時很難恢復徹底一致的色彩。因爲受後面亮度(Y)和色度(C)分離電路性能的影響，其信號帶寬較窄，通常只有水平分解率240線~350線左右的分解率。因爲視頻信號中已不包含伴音，故通常還有音頻端口以便同步傳輸伴音。有時複合式視頻接口也稱爲AV(Audio Video)口。

7.什麼是S－Video信號
　　S－Video 是一種兩份量的視頻信號，它把複合視頻信號中的亮度和色度信號分紅兩路獨立的模擬信號，用兩路導線分別傳輸的視頻信號。這種信號不只其亮度和色度都具備較寬的帶寬，並且因爲亮度和色度分開傳輸，能夠減小其互相干擾，水平分解率可達420線。與複合視頻信號相比，S－Video能夠更好地重現色彩。

8．什麼是色差信號或份量信號(Y,Cr,Cb/Y,Pr,Pb)
    「Y 亮度」是經過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一塊兒。「C 色度」則定義了顏色的兩個方面——色調與飽和度，也就是說C色度經過相應電視制式的解碼方式解調出Cr和Cb兩路信號。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差別，而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差別，此即所謂的色差信號，也就是咱們常說的份量信號(Y、R-Y、B-Y)。

9.如何獲得R,G,B信號
若是您認真的閱讀了上面5，6，7，8的說明，就能夠發現(5)->(6)->(7)->(8)是一個信號的流程，以前曾提到R,G,B信號纔是咱們最終須要的信號，有了份量信號(Y、R-Y、B-Y),如何變成RGB信號呢？ 原來當初爲了兼容黑白電視，Y 亮度信號是將R,G,B信號按必定的比例的相加所獲得的。這裏就簡單化，咱們就認爲Y=R+G+B{事實上R:G:B=0.3:0.59:0.11}，這樣只要把Y、R-Y、B-Y三路信號送到一個運算矩陣中進行簡單的運算就能獲得R,G,B信號了。它們的關係是：
Y+(R-Y)=R
Y+(B-Y)=B
Y-(B-Y)-(R-Y)=-B-R+Y=-B-R+R+G+B=G  (Y=R+G+B)
10.各類外部輸入端子與電視信號流程的關係
來張圖說明一下，(這裏採用的日本NTSC 3.58電視制式的解碼流程的緣由一個是PAL制的解碼太複雜，容易讓你們發矇，二來是咱們手頭上的遊戲機大部分都是NTSC制.爲了方便你們理解，省去了行場同步部分)

問題篇
11．接着談談最近你們比較敏感的隔行掃描與逐行掃描的問題
   老樣子，先從一些基礎知識談起
    你們可能都知道，爲了得到活動的圖像，電影和電視是都是把若干幅靜止的畫面快速地連續播放，咱們就會以爲這些畫面上的物體是在連續地運動着。
咱們將每一幅「靜止」的畫面稱爲一「幀(frame)」，電影是24幀／秒、PAL制電視是25幀／秒，NTSC制是30幀／秒。
前面曾提到電視的每幀畫面又是由若干條水平方向的掃描線組成的、PAL製爲625行／幀，NTSC製爲525行／幀。
若是這一幀畫面中全部的行是從上到下一行接一行地連續完成的，或者說掃描頃序是一、二、3……525，咱們就稱這種掃描方式爲逐行掃描。
可是實際上，以PAL爲例(NTSC制也相似)，要想在行頻15625Hz/場頻50Hz的狀況下每秒鐘掃描出50幅625行的畫面是不可能的， ( 換算公式略)，因而電視的一幀完整畫面是須要由兩遍掃描來完成，第一遍只掃描奇數行， 即第l、三、5……525行。第二遍掃描則只掃描偶數行， 即第二、四、6……524行。這種掃描方式就是隔行掃描。要想逐行掃描行頻就的翻倍成31.5Khz，但電視受需兼容黑白電視的制式影響行頻是不能改變的。
一幅只含奇數行或偶數行的畫面稱爲一「場(field)」。所以，PAL制電視的實際掃描頻率是50場／秒。NTSC製爲60場／秒。隔行掃描的兩個場雖然是一先一後地出如今屏幕上(都是不完整的畫面)。但因爲變換速度很快，咱們會以爲是看到了一幅完整的畫面。

12.隔行掃描的主要缺點是：
1)光柵結構顯得粗疏；有的圖象能看到掃描線。
2)垂直分辨率嚴重受損，大約只有水平分辨率的一半左右(350線)；
3)畫面有閃爍感；
4)最重要的是會在畫面上形成梳齒現象(又稱羽狀干擾或拉鍊效應)和行抖動。

13．爲何要採用逐行掃描
很簡單，逐行掃描克服以上隔行掃描的缺點

14．如今那些設備是輸出隔行掃描和逐行掃描
    在咱們常見的設備設備中，普通廣播電視接收機、錄像機、大部分視頻攝像機、VCD、LD等全都是隔行掃描的，新一代數字電視機則將是逐行掃描的，當前的電腦顯示器(包括LCD)幾乎所有都是逐行掃描的。
   這裏應該特別指出的是：事實上DVD本質是隔行掃描的，在制定DVD規範的時候是按照隔行掃描的要求而設計的。DVD影碟上的視頻圖像是以隔行掃描的格式存貯的，這一點必須緊緊記住，有關逐行掃描DVD的是爲了克服隔行掃描的缺點而研製的，它的任務是把影碟上的隔行掃描畫面修復成逐行掃描

好了有了上面這些難懂的原理的支持，我來解答一些常見的問題。
1． 爲何把各類視頻端子的清晰度排行列成RGB>YPrPb>S-video>複合video。
要說明這個問題，讓咱們在看看上面 NTSC的電視信號流程圖，信號通過的每個藍框就是一種轉換或分離電路，高中的物理課告訴咱們世上沒有絕對100%的能量轉換，都是要損耗的要丟失信息的。根據圖中信號的走向能夠發現，複合video到RGB通過了最多藍框，S-video其次，YPrPb最少，RGB沒有。因此理論上各類視頻端子的清晰度排行是RGB>YPrPb>S-video>複合video。事實上，如今的電子技術高速發展，轉換或分離電路的效率愈來愈好，信號損耗也愈來愈小，丟失的信息也愈來愈少。逐漸拉近各類輸出端子的清晰度差距，前提是在低分辨率下(480線如下)，緣由後面會說明。
從另外一個角度，也能發現這個結果，把RGB>YPrPb>S-video>複合video這四個輸入端子順序倒過來，居然和咱們的電視機的各類輸入端子的出現時間順序是同樣的，老式的彩電和黑白電視沒有任何視頻輸入端子，後來Fc與家用錄象機以及後面VCD的出現，有些進口的彩電和後來國產彩電就裝備了AV既複合video輸入端子，你們對當時的顯示效果也很是滿意，接着N64/SS/Ps與初期DVD機的出現，有了較高的分辨率的信號源(350線左右)，對複合video輸入端子常常出現的亮色竄擾問題就有了意見，電視機廠立刻針對這個問題立刻就開發了S-Video端子,輸出設備廠商也立刻跟上，因而P S有了S-Video輸出線，DVD機有S-Video輸出座。到了近幾年，隨着PS2/NGC等遊戲機的誕生和DVD機解碼技術的發展，咱們有了更高的分辨率的視頻信號源(480線左右)。這時你們才發現，受電視制式(PAL :6MHz,NTSC:4.5MHz)的視頻帶寬影響，要想輸出480線解像度的圖象太難，更高解像度的話就更不可能了，看來只有開發一種不受電視制式影響的又可以傳送高解像度視頻輸入/輸出接口，你們天然想到早就存在的電腦的D型15針 RGB 輸出接口，但這個接口倒是採用逐行掃描的RGB端口，當時視頻輸出設備又沒有廣泛採用逐行掃描技術，加上該接口又有很強的技術規範，要想在電視機上裝電腦的D型15針 RGB 輸入接口太麻煩和複雜(有些國產電視機有電腦的VGA口是不規範的作法)。放棄吧，退一步，因而兼容逐行掃描與隔行掃描的色差(YPrPb 或 YCrCb)端子就來到了咱們身邊。

2．爲何說S-video和複合video不能輸出高解像度(>480線)的圖象和帶逐行掃描的信號。
緣由是S-video和複合video都包含有色度信號(C),而色度信號的合成與解碼都與兼容電視制式有關，也就是說S-video和複合video都是帶有電視制式(PAL,NTSC)的信號, 信號的帶寬受電視制式的不一樣是有規定的， PAL：6MHz ,NTSC 4.5MHz, 信號的帶寬一受限制，獲得的圖象的解像度就被限制在必定的範圍內，因此說S-video和複合video不能輸出高解像度(>480線)的圖象。
一樣道理，S-video和複合video的同步信號的頻率受電視制式的規定而不能改變，PAL H:15625Hz V:50Hz  NTSC H:15750Hz V:60Hz.而高解像度爲480線逐行掃描的信號的行同步信號爲31500Hz.因此S-video和複合video也不能輸出帶逐行掃描的信號，
另：有些人可能要反駁我，說個人PS2就是用S-video線或複合video線連到電視機的，而電視機就是工做在逐行掃描狀態啊，你怎麼說S-video線或複合video線不能輸出帶逐行掃描的信號呢，其實這是個誤解，首先要說你擁有一臺好電視，如今有的高檔電視內部帶有隔行轉逐行掃描的電路，甚至有帶高級倍線器功能的。無論進去的信號是隔行仍是逐行，都給你轉成逐行掃描來顯示，受隔行轉逐行掃描的電路的性能影響，出來的畫面質量就有高有低了，如SONY DRC技術就很不錯。

3．爲何個人PS2用S-video或複合video連到一部國產的老電視，畫面會沒彩色或跳動。
若是你家的電視不是採用國際線路或PAL,NTSC雙線路，而你的PS2的S-video或複合video輸出的信號電視制式與你的電視機的電視制式不一樣，就會產生這種狀況。最簡單的方法是加一個電視制式轉換器(PAL<>NTSC)簡稱制轉。

4．色差信號與RGB信號有沒有PAL，NTSC之分。
理論上沒有，但受信號源的不一樣，(如日本二區的NTSC制的DVD影碟或PS2 遊戲碟或歐洲二區 PAL制的DVD影碟或PS2 遊戲碟。)色差信號與RGB信號輸出的解像度與同步信號的頻率可能會不一樣。不信，你家的電腦顯示器有PAL，NTSC之分嗎，顯示卡有PAL，NTSC之分嗎，帶Tv輸出功能的除外。

5．個人家電視太老，連AV端口都沒有怎麼辦。
果真很老，買一RF(射頻)調製器，將Av信號調製成RF信號後從電視的天線口輸入，連天線口都沒有的那就不是電視機了。不過這種狀況下，你通常還要買一個制轉，除非你的PS2的電視制式和你的老電視相同。

模擬視頻信號的傳輸目前仍然使用Coaxial電纜，中間的信號線，外部包屏蔽層做爲地。可是每每各種信號的接頭不同，每每使得廣大人民羣衆產生混淆，給奸商有隙可乘。 
  下面對經常使用的模擬視頻信號的傳輸方式作一個簡單的介紹： 

  RF — 射頻信號，就是你們天天都看的電視信號，這種信號將視頻和音頻信號都調製在一塊兒，採用75Ohm的同軸電纜傳輸。 
   
  CV — Composive Video 複合視頻，這種信號採用一根同軸電纜傳輸，就是你們平常所見的視頻輸出，民用領域通常採用RCA插頭，專業領域爲了保證鏈接質量，每每採用BNC接頭。信號質量優於RF射頻。 

  YC — YC視頻，這是俗稱的S-VIDEO，它採用兩根獨立的同軸電纜分別傳輸亮度信號（Y）和色度信號（C），避免了亮度和色度信號的互相串擾。民用領域每每採用Mini 4 pin的接頭（俗稱S 端子），專業領域採用兩個BNC接頭來鏈接。信號質量優於複合視頻。 

 YUV — 份量視頻，色差視頻，Component Video，俗稱DVD端子。這種視頻信號在YC視頻的基礎上改進，將色度信號分紅了兩股，採用3根獨立的同軸電纜傳輸，質量優於YC視頻。民用領域採用三個RCA端子鏈接，專業領域仍然採用BNC端子。 

 RGsB — 綠同步RGB信號，SOG（Sync On Green）。這種信號已經大大優於上述的各類信號，它將信號中的RGB紅綠藍信號分開傳輸，同時將同步信號調製在綠信號中傳輸，質量大大提升，能夠接受高分辨率的信號傳輸，早期的工做站採用這種方式。採用三個BNC頭鏈接，或者採用DB9針（相似串口）的接頭。不過畫面略有偏綠。 

 RGBS — 複合同步RGB信號，CS信號（Composive Sync），這種信號將RGB三基色信號分別傳輸，同時將行同步與場同步信號複合傳輸，採用4線BNC接頭，在工做站信號中很常見，高級的電腦顯示器（帶RGB端子的）能夠接受。也能夠採用常見的HD15接頭（俗稱VGA頭），在Sun和SGI電腦每每採用13W3的接頭。信號質量優。 

 RGBHV — 分離同步RGB信號，這種傳輸方式已經到達模擬視頻信號傳輸的頂峯，它將R、G、B，行同步和場同步信號所有獨立傳輸，民用領域獲得大量應用，每一個看見者篇文章的同志的電腦畫面就是採用這種方式傳輸的，通常採用HD-15接頭（俗稱VGA頭），專業領域仍然採用5線BNC接頭。能夠接受極高分辨率的信號傳輸。 

 對於模擬信號，採用的電纜越多，信號質量越好。就象公路同樣，人車混走的路，速度天然沒法提升。你們能夠參考一下。 

  目前還能夠見到兩種數字視頻信號的傳輸——DFP（Digital Flat Panel)與DVI(Digital Video Interface)，兩種信號的數字格式是同樣的，在接頭方面不一樣，不在本文討論之列。 
   
  此外還有網絡、USB，IEEE.1394等介質均可以傳輸視頻信號。你們能夠密切留意。