视频矩阵的应用及分类（视频矩阵的应用及分类）

视频矩阵-基本功能和要求视频矩阵-基本功能和要求

　　一个矩阵系统通常还应该包括以下基本功能：字符信号叠加;解码器接口以控制云台和摄像机;报警器接口;控制主机，以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘等附件。对国内用户来说，字符叠加应为全中文，以方便不懂英文的操作人员使用，矩阵系统还需要支持级联，来实现更高的容量，为了适应不同用户对矩阵系统容量的要求，矩阵系统应该支持模块化和即插即用(PnP)的，可以通过增加或减少视频输入、输出卡来实现不同容量的组合。

矩阵系统的发展方向是多功能、大容量、可联网以及可进行远程切换。一般而言矩阵系统的容量达到64×16即为大容量矩阵。如果需要更大容量的矩阵系统，也可以通过多台矩阵系统级联来实现。矩阵容量越大，所需技术水平越高，设计实现难度也越大。

　　矩阵的分类

　　随着图像信号技术的发展，和人类对音视频视觉的提高;图像信号的传输经过了几个阶段的发展，从AV视频到色差分量(YPbPr)，再到VGA信号，现在到DVI及HDMI、DISPLAYPORT等;在这过程中，由于应用方便的需要形成了信号矩阵切换，所以说在每个信号阶段都有相应的矩阵切换器;现在随着IP技术和图像压缩技术的发展，形成了多媒体流(基于MPEG-4,H2.64)交换的虚拟矩阵器;

　　按照传输信号形式来分为：模拟矩阵切换器和数字矩阵切换器;

　　模拟矩阵切换器如下：

　　矩阵切换器的功能是将一路或多路视音频信号分别传输给一个或者多个显示设备，因此我们可以按照信号源的不同来分类矩阵切换器。也就是，根据想要切分的信号不同，来确定矩阵切换器的种类。矩阵切换器按信号源的类型可以分为：VGA、AV、V，YPbPr矩阵切换器等等。例如：VGA矩阵切换器就是输入输出信号为[]VGA信号的矩阵切换器。其它类型可以类推，这里就不再累述。下面将着重介绍一下信号源的种类。

　　VGA矩阵：

　　VGA(Video Graphics Array)即显示绘图阵列，是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA支持在640X480的较高分辨率下同时显示16种色彩或256种灰度，同时在320X240分辨率下可以同时显示256种颜色。VGA由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在VGA基础上加以扩充，如将显存提高至1M并使其支持更高分辨率如800X600或1024X768，这些扩充的模式就称之为VESA(Video Electronics Standards Association，视频电子标准协会)的Super VGA模式，简称SVGA，现在的显卡和显示器都支持SVGA模式。

　　VGA信号的组成分为五种：RGBHV，分别是红绿蓝三原色和行场同步信号。VGA传输距离非常短，实际工程中为了传输更远的距离，人们把VGA线拆开，将RGBHV五种信号分离出来，分别用五根同轴电缆传输，这种传输方式叫RGB传输，习惯上这种信号也叫RGB信号，其实本质上RGB和VGA是没有什么区别的。

　　VGA接口，也叫D-Sub接口。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针空，分成三排，每排五个。VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口。目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟VGA接口连接，计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。

　　RGB矩阵：

　　VGA信号的组成分为五种：RGBHV，分别是红绿蓝三基色和行场同步信号。VGA传输距离非常短，实际工程中为了传输更远的距离，人们把VGA线拆开，将RGBHV五种信号分离出来，分别用五根同轴电缆传输，这种传输方式叫RGB传输，习惯上这种信号也叫RGB信号，其实信号本质上RGB和VGA是没有什么区别。

　RGB传输采用BNC加同轴电缆传输。RGB电缆有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。BNC接头可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少且信号频宽较普通D-SUB大，可达到最佳信号响应效果。

　　AV矩阵：

　　AV端口(又称复合端口)原文为Composite video connector，是家用影音电器用来传送类比视讯如 NTSC、PAL、SECAM的常见端口。AV端口通常是黄色的RCA端口，另外配合两条红色与白色的RCA端口传送音讯。欧洲的电视机通常以 SCART端口取代RCA端口，不过SCART的设计上可以载送画质比YUV更好的RGB讯号，故也被用来连接显示器、电视游乐器或DVD播放机。在专业应用当中，也有使用BNC端口以求获得更佳讯号品质。

　　在AV端口中传送的是类比电视讯号的三个来源要素：Y、U、V，以及作为同步化基准的脉冲信号。Y代表影像的亮度(luminance，又称brightness)，并且包含了同步脉冲，只要有Y信号存在就可以看到黑白的电视影像。U信号与V信号之间承载了颜色的资料，U和V先被混合成一个信号中的两组正交相位(此混合后的信号称为彩度(chrominance))，再与Y信号作加总。因为Y是基频信号而UV是与载波混合在一起，所以这个加总的动作等同于分频多工。

数字矩阵切换器如下

　　DVI矩阵：

　　DVI(Digital Visual Interface)接口，即数字视频接口。它是1999年由Silicon Image、Intel(英特尔)、Compaq(康柏)、IBM、HP(惠普)、NEC、Fujitsu(富士通)等公司共同组成DDWG(Digital Display Working Group，数字显示工作组)推出的接口标准。

　　DVI接口是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为基础，基于TMDS(Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号)电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。

　　一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上;而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。

目前的DVI接口分为两种：

　　一个是DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空。不兼容模拟信号。另外一种则是DVI-I接口，可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟信号并不意味着模拟信号的接口D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。

　　DVI信号，HDCP信号和HDMI 信号针对VGA信号而言，如果排除各种协议的话，信号通道本质是一致的，都是DVI信号。因此先介绍DVI信号的特点。

　　在模拟显示方式中，将待显示的数字R.G..B信号(8bit并行信号)在显卡中经过D/A转换成模拟信号，传输后进入显示器，经处理后驱动R.G..B电子枪，显示到荧光屏上，整个过程是模拟的。而数字显示方式不同，模拟的R.G.B信号到达显示设备后(LCD 或DLP，PDP等)经过A/D处理，转换为数字信号，随后由数字信号在TFT LCD source driver中通过DAC转换变成模拟信号控制液晶板透射或反射光线或DMD晶片反射光线或由等离子体发光，达到显示的效果。

在这个过程中明显地存在一个由数字→模拟→数字→模拟的转换过程，信号损失较大(一次A/D，D/A过程将在频谱上损失6dB，带宽最大保留为像素时钟的1/2)，并且会存在诸如拖尾，模糊，重影等传输问题。 当前带有数字接口的计算机显卡已经相当普遍，甚至笔记本电脑也配备了DVI接口，显示设备中也是越来越多的设备带有数字信号接口，因此数字→数字方式的应用环境已经成熟。

DVI原理上是将待显示的R.G.B数字信号与H.V信号进行组合编码，每个像素点按10bit的数字信号按最小非归零编码方式进行并→串转换，把编码后的R.G..B数字串行码流与像素时钟等4个信号按照平衡方式进行传输，其每路码流速率为原像素点时钟的10倍，以1024×768×70的分辨率为例，码流时钟为70MHz×10，折合为0.7GHZ。一般DVI1.0的码流在0.24GHZ到1.65GHZ之间。

DVI有DVI1.0和DVI2.0两种标准，其中DVI1.0仅用了其中的一组信号传输信道，传输图像的最高像素时钟为165M(1600RGB*1200@60Hz，UXGA)，信道中的最高信号传输码流为1.65GHz。DVI2.0则用了全部的两组信号传输信道，传输图像的最高像素时钟为330M，每组信道中的最高信号传输码流也为1.65GHz。在显示设备中，目前还没有DVI2.0的应用，因此本文所讨论的DVI都是指DVI1.0标准。

　　HDMI矩阵：

　　HDMI(High-Definition Multimedia Interface)又被称为高清晰度多媒体接口，是首个支持在单线缆上传输，不经过压缩的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命令数据的数字接口。HDMI接口由Silicon Image美国晶像公司倡导，联合索尼、日立、松下、飞利浦、汤姆逊、东芝等八家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的。HDMI最早的接口规范HDMI1.0于2002年12月公布，目前的最高版本是于今年6月发布的HDMI1.3规范。

　　HDMI源于DVI接口技术，它们主要是以美国晶像公司的TMDS信号传输技术为核心，这也就是为何HDMI接口和DVI接口能够通过转接头相互转换的原因。美国晶像公司是HDMI八个发起者中唯一的集成电路设计制造公司，是高速串行数据传输技术领域的领导厂商，因为下面要提到的TMDS信号传输技术就是它们开发出来的。

所以这里稍微提及一下TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)也被称为最小化传输差分信号，是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成10位，前8为数据由原始信号经运算后获得，第9位指示运算的方式，第10位用来对应直流平衡(DC-balanced，就是指在编码过程中保证信道中直流偏移为零，电平转化实现不同逻辑接口间的匹配)，转换后的数据以差分传动方式传送。这种算法使得被传输信号过渡过程的上冲和下冲减小，传输的数据趋于直流平衡，使信号对传输线的电磁干扰减少，提高信号传输的速度和可靠性。

一般情况下，HDMI连接由一对信号源和接受器组成，有时候一个系统中也可以包含多个HDMI输入或者输出设备。每个HDMI信号输入接口都可以依据标准接收连接器的信息，同样信号输出接口也会携带所有的信号信息。HDMI数据线和接收器包括三个不同的TMDS数据信息通道和一个时钟通道，这些通道支持视频、音频数据和附加信息，视频、音频数据和附加信息通过三个通道传送到接收器上，而视频的像素时钟则通过TMDS时钟通道传送，接收器接受这个频率参数之后，再还原另外三个数据信息通道传递过来的信息。

　　HDMI在针脚上和DVI兼容，只是采用了不同的封装。与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，同时提供了更好的DDC可选功能。HDMI支持5Gbps的数据传输率，最远可传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于4GB/s，因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器，接收器和PRR。此外HDMI支持EDID、DDC2B，因此具有HDMI的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。HDMI接口支持HDCP协议，为看有版权的高清电影电视打下基础

　　包交换型虚拟矩阵器：

　　包交换型虚拟矩阵器是通过包交换的方式(通常是IP包)实现图像数据的传输和切换。包交换型矩阵目前已经比较普及，比如已经广泛应用的远程监控中心，即在本地录像端把图像压缩，然后把压缩的码流通过网络(可以是高速的专网、internet、局域网等)发送到远端，在远端解码后，显示在大屏幕上。包交换型数字矩阵目前有两个比较大的局限性：延时大、图像质量差。

由于要通过网络传输，因此不可避免的会带来延时，同时为了减少对带宽的占用，往往都需要在发送端对图像进行压缩，然后在接收端实行解压缩，经过有损压缩过的图像很难保证较好的图像质量，同时编、解码过程还会增大延时。所以目前包交换型矩阵还无法适用于对实时性和图像质量要求比较高的场合。比较适合监控使用，不法满足电视和会议的要求。

视频矩阵相关产品

　　分配器：将单路信号在没有信号损失的情况下分成多路相同的信号，输出给多个显示设备。长线驱动器：整合VGA信号在长距离传输中出现的拖尾重影等问题。 选择器：将多路输入信号选择其中一路输出给显示设备。切换矩阵：将多种信号源选择两种或两种以上输出给不同的显示设备。此外还有开关器;倍线器等。 矩阵切换器可独立成为音频切换矩阵，也可以使用专用级联线缆实现和VIDEO,VGA,RGB矩阵实现同步切换。该设备具有断电现场保护功能，能保存设备关机前的工作状态，具备与计算机联机使用的RS-232通讯接口，并提供通讯协议和演示程序，方便联机使用。

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