数字视频系统接口应用

李向军

(海军驻西安20所军事代表室，陕西　西安　710068)



数字视频系统接口应用

李向军

(海军驻西安20所军事代表室，陕西西安710068)

随着技术发展，数字视频接口逐步替代模拟视频接口，成为视频产生、传输、显示、存储的主要方式。列举了常用的模拟和数字接口，阐述了视频系统前端与后端数字视频接口的特点及应用情况。通过分析各个端口的性能和实际军事需要，得出Camera Link接口是现在军用光电产品中的主要发展和应用方向。并且从接口的发展趋势来看，未来的数字接口是向摄取速度更高、传输带宽更宽、分辨率更高的方向发展。

数字视频；接口；Camera Link

视频技术的应用改变了人们的生活，电影、电视、计算机、手机等通过视频播放将现实场景、故事、小说以图像的形式显现在人们面前，使人们不用到现场就可以看见现场发生的事情；不用亲自见某人，就可以了解某人的想法。数字视频技术的应用提高了图像的分辨率，改善了图像的质量，使人们享受更高品质的图像[1]。

1　应用方案

在民用领域，视频技术主要用于电影、广播电视，属于非实时系统，或者说对实时性要求不高的系统，如图1所示。在图1中，先期制作好的节目源经过编码后进行传输，在接收端进行解码后传送到终端显示[2]。节目源制作、编码、传输都是由广播电视电影部分完成，用户只需要配置一个解码器和终端显示设备就可以了，如电视机、计算机、手机等终端设备。

图1民用视频系统

在安防领域，视频技术也被广泛应用，如监控系统、视频会议系统、无人机摄像等，这类系统为专用视频系统，也是实时性系统。因为前端摄像机直接摄取视频，不需要专门的制作编辑，直接传输到后端，如图2所示。监控系统主要应用于小范围民宅区域的监视，视频会议主要用于跨区域会议的现场互动，无人机视频编码后通过无线传输到地面，或现场保存图像，落地后人工拷贝数据。

图2专用视频系统

在军用领域，视频技术还应用于光电系统中，如光电跟踪系统、光电侦察系统等，这类系统经常装备于飞机、舰艇、坦克、卫星、导弹等平台系统中，主要完成战场区域感知(侦察)和目标跟踪(攻击)的任务，如图3所示。这类系统要求的实时性非常强，实时性越好，系统精度越高。

图3　实时性专用视频系统

在民用、军民融合领域中，模拟视频技术早已升级为数字化视频技术，并得到广泛应用。而在军用领域，由于受实时性的限制，数字化视频技术在高速系统中的应用才刚刚起步。

2　模拟视频接口

早期的摄像机主要采用模拟视频接口，相应的后端显示设备采用与前端相同格式或与计算机接口的格式。常用的模拟视频格式及接口主要有：

1)PAL制视频接口

PAL制式为彩色广播电视的彩色电视机体制，每帧625行，25 f/s(帧/秒)，隔行扫描，场频为50 Hz，中国、德国、英国及西北欧国家采用这种制式。PAL制视频接口采用BNC接口，摄像端和显示器端接口相同，都是BNC接口，采用同轴电缆直接传输[3]。同轴电缆匹配阻抗有50 Ω、75 Ω两种，传输距离可以达到100 m以上。早期的摄像机、监视器、视频矩阵切换与分配器等视频设备上均采用PAL视频接口，广泛应用于监控系统中。PAL制传输视频，性能稳定，收看效果好，但成本高。

2)NTSC制视频接口

NTSC制式也是彩色广播电视的彩色电视机体制，视频格式为每帧525行，30 f/s，隔行扫描。美国、加拿大、日本、韩国等国家采用这种制式。与PAL制相比成本低、兼容性好，但色彩不稳定。输入输出接口形式与PAL制相同，均为BNC接口。

3)S端子

S端子(全称Separate Video) 是二分量传输的视频接口，只传输视频信号， 不传输音频信号。视频信号的亮度和色度是分开传输的，避免了设备内信号干扰而产生的图像失真，能够有效提高画面的清晰程度。 S端子有4针、7针、9针S端子接口，主要用于录像机、电视机、DVD播放机、游戏机等家庭视频设备上。S端子由于传输带宽不足，不适合传输分辨率高的影像信号。传输距离不宜太长，对于品质差的S端子，电缆长度超过5 m，易失真较大。

4)VGA接口

VGA(Video Graphic Array)是一种视频图形阵列接口，是计算机模拟显示器显示标准。计算机输出的是数字信号，而计算机使用CRT显示器显示模拟信号，所以计算机的显卡必须将数字信号转化为模拟的视频信号供CRT显示器用。VGA将视频信号分解为R、G、B三原色和HV行场信号进行传输，所以在传输过程中损耗较小。VGA虽然是模拟视频接口，但也可以显示1 080p高清视频信号。VGA采用15针的D型专用视频接口，目前主要应用在电脑显示器上。

随着数字技术的发展，CRT显示器已被淘汰，PAL、NTSC、S端子等模拟视频接口应用越来越少，而替代CRT显示器的LCD液晶显示器仍然采用VGA接口，而且VGA支持高清视频格式，因此目前VGA仍然是主流应用的计算机显示接口。

3　数字视频接口

由于环保、节能要求以及液晶显示技术的发展，CRT显示器逐步淘汰，液晶显示器(LCD)被广泛应用。数字化技术的应用，使得模拟视频向数字视频方向发展。近年来随着高分辨率数字摄像机的出现，后端采用高分辨率、低耗能的LCD显示屏，使人们可以采集、欣赏高品质的图像。

数字视频接口形式种类较多，有Camera Link、 SDI、1394等数字相机接口，也有DVI、HDMI、DisplayPort等数字显示接口，主要针对应用的设备不同，采取不同的接口形式。

1)Camera Link接口

Camera Link接口为相机端接口，视频传输为实时无压缩格式，是一种针对高帧频、高分辨率数字相机的专用通信协议接口，使用低压差分信号LVDS传输，包括5对差分信号用于传输视频数据，4对差分信号用于并行传输相机控制信号，2对差分信号用于相机和主机之间进行异步串行通信，其中视频数据信号采用Channel Link协议[4]。Camera Link视频传输有基模式(Base)、中级模式(Medium)和全模式(Full)3种模式，在全模式下，1个时钟周期内可以最多传输8 byte数据。

高速摄像机主要采用Camera Link接口，最高帧频为500 Hz，分辨率可以达到百万像素(1 280×1 024)，主要用于靶场弹道测量、汽车碰撞试验、体育竞技等高速运动场景的摄像方面。然而，Camera Link接口兼容性不佳，因为每个厂家产品的时钟频率都不一定相同，因此，后端设备选用，最好也选用同一厂家的设备。该接口传输时钟的最高频率为85 MHz，最大传输能力为5.44 Gbit/s。接口为26芯D型接口，基模式采用1个D型接口，中模式和全模式均采用2个D型接口，传输电缆为专用电缆，传输距离最长不超过15 m。

2)SDI接口

SDI接口为相机端接口，是一种数字分量串行接口，视频传输为实时无压缩格式，没有IP网络接口的延时问题。SDI接口有SD-SDI，HD-SDI，3G-SDI三种类型。SD-SDI为标准清晰度数字视频接口，最大分辨率为720×576。HD-SDI是一种广播级的高清标准数字视频接口，最大分辨率可以达到1 920×1 080。3G-SDI是高帧、高清数字视频接口，其帧频可以达到50～60 Hz，而SD-SDI和HD-SDI的帧频为25 Hz。 SDI接口接插件为BNC接口，接口为BNC接口，与PAL制视频接口兼容，同轴电缆传输，传输距离可以达到100 m，因此，工程化程度比较好。SD-SDI，HD-SDI和3G-SDI传输速率分别为270 Mbit/s，1.485 Gbit/s和2.97 Gbit/s。

3)IEEE1394接口

为USB接口标准，主要用于方便计算机采集视频数据的数字接口。

4)DVI接口

DVI(Digital Visual Interface)接口，是一种数字显示接口标准。DVI有DVI1.0和DVI2.0两种标准，最高分辨率可达1 600×1 200×60， 传输图像的最高像素时钟为165 MHz，信道中的最高信号传输码流为1.65 Gbit/s。DVI技术在计算机显示输出领域得到了迅速运用，但是伴随着数字高清影音技术的发展，DVI接口也开始逐渐暴露出种种问题，甚至在一定程度上成为数字影像技术进步的瓶颈。

5)HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia)是高清晰度多媒体接口，是在DVI协议的基础上制定开发的[5]。在视频传输时，HDMI和DVI可以兼容，但HDMI强化了音频传输能力，可以以数码形式同时传输未经压缩的高清视频和多声道音频信号。HDMI连接器共有两种，即19针的A类连接器和29针的B类连接器。A类尺寸较小，为单连接配置，最高像素时钟为165 MHz；B类外形尺寸稍大，支持双连接配置，可将最大传输速率提高一倍，拥有330 MHz的像素时钟频率。与DVI相比，HDMI接口的体积更小，最高数据传输速度为5 Gbit/s，最远可传输15 m，足以应付一个1 080p的视频和一个8声道的音频信号。

6)Gige Vision网络接口

Gige Vision是一种基于千兆以太网的图像传输标准，具有传输距离长(无中继时100 m)，传输效率高可向上升级为万兆网、通信控制方便、软硬件互换性强、可靠性高等优点[6]。为了兼容视频数据量大的特点，Gige Vision比标准千兆网在最大数据包和DMA控制上进行了提升。其采用的“Jumbo packet”最大支持16 224 byte，并且其CPU中断数大大降低，占用率也大幅降低了。

7)CXP接口

CXP接口即CoaXPress接口，是一种专门为视频传输建立的非对称的高速点对点串行通信数字接口标准。该接口使用单根或多根同轴电缆连接到主机，可实现最高6.25 Gbit/s的下行数据传输和20 Mbit/s的上行通信控制传输。相对于Camera Link，CXP可以提供更高的带宽，传输距离更远，并且其使用与模拟设备相同的同轴电缆，可以方便地将模拟视频升级为数字视频。CoaXPress接口的传输容量比Camera Link和GigE Vision更大，可能是未来机器视觉领视频接口应用的发展方向。

8)DisplayPort接口

DisplayPort是一种高清数字多媒体显示接口。除了传输视频信号外，还传输高品质的音频信号。DisplayPort支持2 560×1 440超高分辨率显示，最大传输带宽10.8 Gbit/s，而HDMI接口最大传输带宽为4.5 Gbit/s。因此，DisplayPort性能优于HDMI和DVI。

从上面可以看到数字接口种类较多，标准不统一。目前显示端数字视频接口应用较多的是HDMI接口，主要应用于民用领域。对于高速摄取实时传输系统，军用方面主要是Camera Link数字接口，民用方面为SDI接口，大容量传输兼顾图像实时获取系统采用Gige Vision网络接口。DisplayPort用于超高清系统，CXP主要在机器视觉里有应用，还不普及。

4　光电产品中数字视频应用

尽管数字视频技术被广泛应用，但是主要分为两类，一类为非实时性系统，另一类为实时性系统。非实时性系统主要应用在监控、教育、宣传等领域，特点为前端摄取速度要求不高，摄取速度一般为25 f/s，分辨率为高清即可。光电产品主要以采用实时性系统为主，一般应用于高速竞技运动和军用跟踪测量领域。在竞技运动中用于摄取瞬间的动作，如鹰眼视频、碰撞测量视频系统，主要特点是高速实时摄取，非实时处理。军用测量应用与竞技类测量类同，但是速度更高，如弹道测量等。军用跟踪预警应用要求实时摄取、实时处理，如图3所示的系统，输出以控制信号为主，而不是以图像显示信号为主。因此，军用跟踪预警类的视频系统，后端实时处理要求更高。

竞技运动类用数字视频系统主要采用Gige Vision网络接口，具有传输距离远、适用性强、且支持多个相机组网的优点，但是其传输为非实时，可能发生丢包等情况。CXP是一种新型数字视频传输接口，具有带宽高，传输距离远的优点，是未来数字视频传输的一个重要发展方向，但是现阶段其主要技术及专利在几家公司的控制下，推广较慢，成熟的工业相机种类较少，限制了其应用。Camera Link接口是专业视觉处理接口，具有实时性高，抗干扰能力强，传输带宽高的优点，缺点是传输距离近。

Camera Link视频格式采用并行数据传输格式，非常适合后端实时处理系统，如图像处理、目标检测、目标跟踪等。随着光纤传输技术的发展，使高速、宽带数据传输不再是问题，因此，Camera Link数字视频接口会在实时系统中得到越来越广泛的应用。

5　小结

数字视频接口在民用和安防系统的应用已经很广泛，主要以后端“看”(视频显示)为需求发展传输和显示相关技术。军用领域的应用以前端“看”(视频采集)为需求发展高速视频记录和输出相关技术。在生活中，人们往往只关注后端“看”的接口技术发展，如用于高清显示的SDI，DVI，HDMI，DisplyPort接口，而对前端高速实时摄取、实时处理的Camera Link，Gige，CXP接口的应用情况知之甚少，因为前端“看”是设备“看”不是人“看”。综上所述，前、中、后端的数字视频接口应用特点虽然有所区别，但是总体趋势都是向摄取速度更高、传输带宽更宽、分辨率更高的方向发展。

[1]戴辉. 数字视频技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2012.

[2]侯自强. 数字视频技术进展[J]. 中国图象图形学报，1996(1)：58-63.

[3]李世萍. 演播室数字视频信号格式的选择[J]. 电视工程， 2000(2)：28-29.

[4]朱齐丹，刘进业，康岭. Camera Link硬件接口电路设计[J]. 应用科技，2008，35(10)：57-60。

[5]黄庆敏，罗健. HDMI接口标准及应用设计[J]. 电视技术，2007，31(2)：32-34.

[6]花再军，黄凤辰，陈钊. GigE Vision 接口摄像机及其应用[J]. 微型机与应用，2011，30(21)：92-94.

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

文献引用格式：李向军.数字视频系统接口应用 [J].电视技术，2016，40(10)：37-40.

LI X J.Application of interfaces in digital video system[J].Video engineering，2016,40(10)：37-40.

李向军(1962— )，高级工程师，长期从事军用光电技术及高速视频接口技术研究。

责任编辑：时雯