视频之四：视频流连接

这一节我们将从系统层次来考察视频流，讨论嵌入式视频应用所包含的各种视频源和显示装置。 

图 1 描述了一个典型的端到端嵌入式数字视频系统。在这种情况下，一个视频源被输入到一个媒体处理器中（必要时，可经过视频解码器的数字化处理）。此时，可以通过软件编码操作来对其进行压缩，然后将其存储到本地或者通过网络进行传输
。

Outside World——媒体处理器外部，Media Processor——媒体处理器 

Video  Soures——视频源，Video  Displays——视频显示设备，Digital  LCD  panel——数字 LCD平板，Digital CMOS sensor——数字 CMOS 传感器，Analog Video camera or CCD——模拟视频摄像机或者 CCD，HW Decode（A/D converter）r——硬件解码器（A/D 转换器），Storage media——存储介质，TV or Monitor——  电视机或监视器，Digital    LCD panel——数字 LCD 平板显示，H/W Encoder（D/A 转换器）——硬件编码器（D/A  转换器）Media Processor——媒体处理器，SW Encoder（Compression）——软件编码器（压缩），SW Decoder——软件解码器（解压缩） 

 

与此过程相反，我们可以从网络或硬盘存储设备得到一段经过压缩的码流。然后通过软件解码操作实现解压缩，并直接传送到一个视频输出显示设备器上（如TFT－LCD 平板），或者通过视频编码器转换为模拟信号，从而在传统的 CRT 上显示。 

  需要注意的是，压缩/解压缩仅仅代表了媒体处理器上可实现的视频处理算法中的一部分。不过，就我们的目标而言，它们为我们的讨论提供了一个合适的模板。接下来，让我们更为详细的探讨这些数据流中专门针对视频的部分。

模拟视频源 

嵌入式处理器内核无法直接对模拟视频信号进行处理。视频信号必须首先通过视频解码器数字化，将模拟视频信号（例如，NTSC、PAL、CVBS、S‐Video）转换为数字信号形式（通常是ITU‐R BT.601/656 YCbCr或者RGB）。这是一个复杂的、多级的处理过程，包括从输入信号中提取时间信息、亮度与色度的分离、色度信息分离为Cr和Cb分量、输出数据的采样，以及为其分配适当的格式等。通过串行接口，如SPI或者I2C，可以对解码器的操作参数进行配置。图 2 所示的是视频解码器的典型方
框图。 

数字视频源 

    当今的视频信号源基本上都是基于电荷耦合设备（CCD）或者 CMOS 技术基础上的。这些技术都可以将光转换为电信号，但它们在转换机理方面存在差异。 

    CMOS传感器一般会输出并行的数字信号流，该信号流通常包括 YCbCr  或者 RGB  格式的像素分量，以及水平/垂直同步和像素时钟。有时，它们还允许采用一路外部的时钟和同步信号，以控制图像帧从传感器向外部传输。 

    另一方面，CCD 往往连接到  “模拟前端”（AFE）芯片上，如 AD9948，该类芯片处理模拟输出信号，对其进行数字化，并产生恰当的时序信号来扫描 CCD 阵列。AFE 的同步信号则由处理器来提供，AFE 需要利用该路控制信号来管理 CCD阵列。经过 AFE 数字化后的并行输出流可以达到每像素分量 10bit、甚至 12bit的分辨率。 

    欲了解关于在 CMOS 和 CCD 传感器之间如何进行折衷的更为详细的讨论，以及典型的图像处理流水线操作方面的综述，请参考如下的文章： 

模拟视频显示 

视频编码器 

视频编码器用于将数字视频流转换为一路模拟视频信号，输入一般为ITU‐R.656或者BT.601 格式的YCbCr或者RGB视频流，根据不同的输出标准（如NTSC、PAL、SECAM）对信号进行转换。一个主控处理器可以通过 2 线或者 3 线串行接口（SPI 或者I2C）来对编码器进行控制，如对像素时序、输入/输出格式以及亮度/色度滤波等设置进行编程。图 3 所示的是典型编码器的结构框图。视频编码器比较常见的模拟输出格式如下：

 

CVBS：复合视频基带信号（或复合视频消隐与同步）。复合的视频是通过图 4a 所示的专用黄色 RCA 接头来连接的。它将亮度、色度、同步和色彩脉冲信息整合到一根电缆内。 

S Video：使用图 4b 所示的接头进行连接，可以分别传送亮度和色度内容。将亮度信息与色差信号分离开来，可以大幅改善图像质量，这也正是 S Video 连接在当今的家庭影院系统中流行的原因。 

分量视频：也称为 YPbPr，这是 YCbCr 数字视频的的模拟版本。在这种视频中，每个亮度与色度通道都是单独提取、输出的，每路都带有自己的时序。这就保证了模拟传输后图像的高品质。分量连接在高端家用影院系统组件，如 DVD 播放器和 A/V 接收机中，是非常常见的（图 4c）。 

模拟 RGB： 具有分离的红、绿、蓝信号通道。这可以提供类似于分量视频的图像质量，但它一般用于计算机图形图像领域，而分量视频则主要应用 于消费类电子方面。RGB 连接器往往是 BNC 插座的改型，如图 4d 所示。

阴极射线管(CRT)  

    在显示端，RGB 是计算机监视器和 LCD 平板显示最常用的接口。大多数较老式的计算机监视器都是用 3 根独立的插针，从 PC 视频卡和调制三相电子枪波束接收模拟 RGB 输入产生所需的图像。电子束激励屏幕上的磷点，则该点将发出红、绿、蓝或者三色的组合，具体的发光则取决于是哪路电子束击中了该点。这与模拟电视不同，后者使用的是一种复合信号，将所有色彩信息分层整合为一个单一的输入，并调制成一个单一的电子束。最近出现的计算机显示器使用 DVI 即数字可视接口，来接收数字和模拟的 RGB 信息。 

    CRT  的主要优势在于它们是廉价的，而且可以产生的颜色也要比同等尺寸的LCD 平板要丰富。此外，与 LCD 不同的是，CRT 的可视角度非常宽广。CRT 的不足在于，体积较为庞大，电磁辐射较强，由于刷新时的闪烁效应，也会导致眼睛疲劳。 

液晶显示（LCD）平板 

    LCD技术主要有两类：无源阵列和有源阵列。在前者中（最常用的一种类型是STN，或超级螺旋向列及其衍生种类），往往采用由一块印刷出行电极引线结构的玻璃衬底与另一块印刷出列电极引线结构的玻璃衬底共同组成的“液晶三明治”结构。这些行列交叉点构成了像素点。于是，为了激活特定的像素，时序电路将像素点处的列上电，而将行接地。所形成的电压差则使得该像素点上的液晶产生翻转，于是该点变得不透明，阻止光线穿过。 

    无源阵列技术虽然简单，但也存在一些缺点。例如，屏幕的刷新时间较慢（这会造成快速物体显示时的重影现象）。此外，行‐列交点处的电压也容易泄露到相邻的像素点上，这会在一定程度上造成周围区域像素的液晶变得不透明，阻碍光线的通过。对于观察者而言，图像会变得模糊不清，且对比度变低，另外，可视角度也相对较小。

    在这些方面，有源阵列LCD技术可以很大程度上改进无源技术的缺点。从基本结构来看，每个像素点都由一个电容和晶体管开关构成，这种结构使之获得了一个更常用的名称“薄膜晶体管（TFT）显示”。为了对特定的像素进行定位，需要使能其所在行，然后向其所在列施加一个电压，这样可以带来隔离感兴趣的像素点的效果，而周围的其它像素都不会被影响。由于控制特定像素的电流被降低，该像素点的开关速度也更高，这就使得TFT技术具备了高于无源显示的刷新速率。此外，对施加到像素点上电压高低的调制也可以实现对多种亮度级的显示。如今，对于8bit的亮度信息，其显示的亮度级通常有256个。 

    由于涉及多种不同的组件，连接TFT‐LCD的任务繁杂，令人感到混乱不堪。首先，考虑平板本身，需要根据像素时钟频率，对像素阵列的行和列加载脉冲。  

    TFT‐LCD的背光常常是CCFL（冷阴极荧光灯），其内部的气体分子被激发并发光，而相应产生的热量很少。它们适合于LCD平板显示的其他原因还包括：耐用性、长寿命和简单易行的驱动要求。LED也是一种流行的背光方法，主要用于小到中等尺寸的平板，它们的优点在于成本低、工作电压低、寿命长、亮度控制性好等。不过，当平板尺寸更大时，与CCFL相比，LED背光的功耗就显得过高。 

    一个LCD控制器包含了将一路输入视频信号转换为LCD平板所需格式的大部分电路，它往往包括一个时序发生器，用于控制平板上各像素的同步和时钟信号的时序。不过，为了满足LCD平板在尺寸和成本方面的要求，有时需要由“时钟发生器”或者“时序发生ASIC”芯片从外部提供时序生成电路。除了实现标准的同步以及数据线外，驱动LCD平板上各行和列也需要定时信号。有时，媒体处理器上富余的通用性PWM（脉宽调制），可以取代这一分立芯片，降低系统的成本。 

    LCD控制芯片还提供屏幕显示支持、图形层叠混合、颜色速查表、抖动与图像旋转等其他一些特色功能。结构复杂的芯片，其价格也极为昂贵，常常超出了与之相连的处理器的成本。 

    为了给LCD平板提供恰当的电平，需要采用合适的LCD驱动器芯片。它起到LCD控制输出和LCD平板之间的“转换器”的功能。行与列往往是分开驱动的，其时序由时序信号发生器来控制。液晶必须用周期性的极性翻转信号来驱动，因为直流电流会给液晶结构带来应力，并最终使之损坏。于是，施加到每个像素的电压的极性必须满足基于每帧、每行或者每个像素变化一次的要求，具体采取何种方式则取决于实现方案。 

    随着多媒体设备向着更小型、更廉价的方向发展，促使人们将上述这些LCD系统部件集成起来。如今，集成的TFT‐LCD模块包含时序信号产生与驱动电路，只需要一路数据总线连接、时钟/同步化线和电源。一个集成化的TFT‐LCD显示模块的电气接口简单易懂，它一般包含数据线、同步线、电源线和一路时钟线。有些平板除了支持并行的视频数字输入信号外，还支持复合模拟视频输入。 

 LED的技术优势

LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。

 

LED与LED背光

目前市面上所谓的LED显示器，其实是“LED背光液晶显示器”；现在流行的液晶显示器，属于“CCFL背光液晶显示器”。所以此二者仍是液晶显示器，只是背光源不一样而已。不要看到LED显示器就误以为是下一代技术显示器，其实技术最新的是叫OLED。在环保理念逐渐深入人心的今天，一些重环保的人士和品牌开始强调LED面板的“无汞”概念，不含汞的LED面板将更加节能和环保，功耗只是普通LED的60%。部分显示器厂商已经开始使用“不含汞”的LED面板，如华硕新近的MS系列无汞LED背光面板就受到了不少用户的青睐，在节能的同时也更加环保！

OLED（有机发光二极管）显示 

OLED 中的“有机”是对夹在两个电极之间的材料而言。当电荷穿过这一有机材料时，这种有机物就会发光。该显示技术仍属一种新生技术，但它有望大大改善 LCD 显示的若干不足。例如，它是一种自发光的技术，无需背光，这就意味着将大大降低显示器的功耗、成本及其重量——一个 OLED 平板可以非常轻薄。此外，它可以比 LCD 平板提供更丰富的色彩，对运动图像的显示效果也优于 LCD。此外，它支持更宽的视角和更高的对比度。OLED 的电子时序发生器和数据接口与 TFT LCD 平板类似。 

尽管具有上述种种优点，目前限制 OLED 显示应用的最主要因素是其有限的寿命。在使用几千小时后，有机材料就会击穿，尽管现在某些显示器的这一量值已经超过了 10 000 小时——非常适合于许多便携式多媒体应用。因此，OLED 在手机、数码相机等产品中，具有广泛的应用前景。然而，我们相信在不久的将来，会看到基于 OLED 技术的电视或者计算机显视器。目前，随着 LCD 技术的不断发展，OLED 在大规模生产方面的安排与规划也日趋清晰。