嵌入式视频源和显示装置探讨
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。

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。

图中:Analog IN——模拟输入,Input MUX——输入复用器,Data Pre‐processor——数据预处理器,Decimation and Downsampling Filters——抽取和下采样滤波器,SYNC and CLK——同步与时钟,SYNC Processing and CLOCK Generation——同步处理和时钟生成,Serial Interface Control and VB1 Data——串行接口控制和VBI数据,Chroma Digital Fine Clamp——Chroma数字精细嵌位电路,LUMA Digital Fine Clamp——LUMA数字精细嵌位电路,LUMA Filter——LUMA滤波器,Gain Control——增益控制,LUMA Resample——LUMA重采样,LUMA 2D COMB (4H MAX)——LUMA 2D COMB,SYNC Extract——同步提取,Line Length Predictor—数据线长度预测,Resample Control——重采样控制,AV Code Insertion——AV码插入,FSC Recovery——FSC 恢复,Chroma Demod—Chroma解调,Chroma Filter——Chroma滤波器,Gain Control——增益控制,Chroma Resample——Chroma重采样,Chroma 2D COMB (4H MAX)——Chroma 2D COMB(4H MAX),VBI Data Recovery——VBI数据恢复,Macrovision Detection——Macrovision 检测,Global Control——全局控制,Standard Autodetection——标准自动检测,Synthesized LLC Control——同步LLC控制,Free Run Output Control——自由运行输出控制,Output Formatter——输出格式化。
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: http://www.videsignline.com/howto/sensorsoptics/189600793
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:

图中Power Management Control——电源管理控制,Sleep Mode——休眠模式,Interpolator——内插器,CGMS and WSS Insertion Block ——CGMS 与 WSS插入模块,Teletext Insertion Block——Teletext插入模块,Interpolator——内插器,Programmable Luminance Filter——可编程亮度滤波器,
Programmable Chrominance Filter——可编程色度滤波器,YCrCb to YUV Matrix——YCrCb至YUV转换矩阵,Video Timing Generator——视频时序发生器,I2C MPU Port——I2C MPU端口,Real-time Control Circuit——实时控制电路,Sin/Cos DDS Block——正弦/余弦DDS模块,Voltage Reference Circuit——电压基准电路,YUV to RGB Matrix——YUV至RGB转换矩阵,Multiplexer——复用器,Voltage
Reference Circuits——电压基准电路
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。


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。

图中:Analog IN——模拟输入,Input MUX——输入复用器,Data Pre‐processor——数据预处理器,Decimation and Downsampling Filters——抽取和下采样滤波器,SYNC and CLK——同步与时钟,SYNC Processing and CLOCK Generation——同步处理和时钟生成,Serial Interface Control and VB1 Data——串行接口控制和VBI数据,Chroma Digital Fine Clamp——Chroma数字精细嵌位电路,LUMA Digital Fine Clamp——LUMA数字精细嵌位电路,LUMA Filter——LUMA滤波器,Gain Control——增益控制,LUMA Resample——LUMA重采样,LUMA 2D COMB (4H MAX)——LUMA 2D COMB,SYNC Extract——同步提取,Line Length Predictor—数据线长度预测,Resample Control——重采样控制,AV Code Insertion——AV码插入,FSC Recovery——FSC 恢复,Chroma Demod—Chroma解调,Chroma Filter——Chroma滤波器,Gain Control——增益控制,Chroma Resample——Chroma重采样,Chroma 2D COMB (4H MAX)——Chroma 2D COMB(4H MAX),VBI Data Recovery——VBI数据恢复,Macrovision Detection——Macrovision 检测,Global Control——全局控制,Standard Autodetection——标准自动检测,Synthesized LLC Control——同步LLC控制,Free Run Output Control——自由运行输出控制,Output Formatter——输出格式化。
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: http://www.videsignline.com/howto/sensorsoptics/189600793
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:

图中Power Management Control——电源管理控制,Sleep Mode——休眠模式,Interpolator——内插器,CGMS and WSS Insertion Block ——CGMS 与 WSS插入模块,Teletext Insertion Block——Teletext插入模块,Interpolator——内插器,Programmable Luminance Filter——可编程亮度滤波器,
Programmable Chrominance Filter——可编程色度滤波器,YCrCb to YUV Matrix——YCrCb至YUV转换矩阵,Video Timing Generator——视频时序发生器,I2C MPU Port——I2C MPU端口,Real-time Control Circuit——实时控制电路,Sin/Cos DDS Block——正弦/余弦DDS模块,Voltage Reference Circuit——电压基准电路,YUV to RGB Matrix——YUV至RGB转换矩阵,Multiplexer——复用器,Voltage
Reference Circuits——电压基准电路
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。



