音視頻矩陣的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)
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中國(guó)投影網(wǎng)資訊
[2006-9-21 9:07:37]
編輯:藍(lán)天
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1. 音視頻矩陣的作用
在現(xiàn)代多媒體會(huì)議室，為了滿足不同演示場(chǎng)合的需求，通常會(huì)具備多種不同的音視頻信號(hào)源和顯示終端，雖然這些音視頻信號(hào)源和顯示終端也可能會(huì)同時(shí)具備復(fù)合視頻（Composite-Video）、超級(jí)視頻（S-Video）、分量視頻（Component-Video）甚至數(shù)字視頻（DVI、SDI）的接口，但目前在多媒體視像會(huì)議中被普遍使用的還是復(fù)合視頻矩陣，主要的原因在如下幾方面:
· 復(fù)合視頻具備良好的穩(wěn)定性、兼容性和通用性，傳輸帶寬小，傳輸距離長(zhǎng)。但色度和亮度共享4.2MHz（NTSC）或5.0~5.5MHz（PAL）的頻率帶寬，互相之間有比較大的串?dāng)_，對(duì)器材和傳輸線纜的要求標(biāo)準(zhǔn)不高，信號(hào)源豐富，預(yù)埋線纜投資較低。
· 超級(jí)視頻（S-Video）雖然在減少亮度損耗、亮度/色度串?dāng)_方面明顯優(yōu)于復(fù)合視頻，但對(duì)于目前常見的液晶投影機(jī)、DLP投影機(jī)并達(dá)不到非常明顯的區(qū)別，而且預(yù)埋線纜投資是復(fù)合視頻的兩倍，所以在工程長(zhǎng)距離傳輸沒有得到普遍的使用。
· 分量視頻在信號(hào)格式的級(jí)別上已經(jīng)明顯高于復(fù)合視頻或超級(jí)視頻，但目前在會(huì)議室多數(shù)是為電腦顯示（VGA或RGBHV信號(hào)格式）服務(wù)，對(duì)器材和傳輸線纜的要求很高（取決于預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和投資預(yù)算），預(yù)埋線纜投資很高。
· 類似Y,R-Y,B-Y、Y,Cr,Cb的分量視頻信號(hào)目前主要應(yīng)用在廣電行業(yè)，而且會(huì)逐漸向SDI或HD-SDI的數(shù)字信號(hào)格式過渡，由于信號(hào)源和資金預(yù)算的限制，會(huì)議室使用不多。DVI信號(hào)由于有效傳輸距離的限制（5米左右），目前沒有得到廣泛應(yīng)用。
綜上所敘，習(xí)慣上音視頻矩陣沒有特別的注明都默認(rèn)是復(fù)合視頻格式。以復(fù)合視頻格式輸出的主要設(shè)備有:攝像機(jī)、實(shí)物展臺(tái)、有線電視解調(diào)器、遠(yuǎn)程視像會(huì)議、磁帶錄像機(jī)、DVD光碟機(jī)等，音視頻矩陣在系統(tǒng)中介于視頻源與顯示或復(fù)用終端之間，負(fù)責(zé)將不同的音視頻信號(hào)源按用戶的意愿進(jìn)行集中調(diào)控。
按照輸入、輸出通道的不同，常見的視頻矩陣一般有8×2、8×4、8×8、16×4、16×8、16×16、32×8、32×16、32×32、64×16、64×32、64×64、128×128等。常規(guī)的理解是乘號(hào)前面的數(shù)字代表輸入通道的多少，乘號(hào)后面的數(shù)字代表輸出通道的多少。不論矩陣的輸入輸出通道多少，它們的控制方法都大致相同:前面板按鍵控制、分離式鍵盤控制、第三方控制（RS-232/422/485等），并且都能達(dá)到以下的功能:
1) 可以根據(jù)使用的需要，在不同的顯示終端上同時(shí)顯示相同或不同的視頻源內(nèi)容
2) 可以將攝像機(jī)、影碟機(jī)、錄像機(jī)、有線電視、電視會(huì)議等各種視頻信號(hào)進(jìn)行方便快捷的處理和調(diào)用
3) 管理員可以獨(dú)立監(jiān)視任意一路視頻信號(hào)，但不會(huì)影響其他終端顯示的內(nèi)容和效果
4) 管理員可以對(duì)任意視頻信號(hào)進(jìn)行錄像，但不會(huì)影響其他終端顯示的內(nèi)容和效果
5) 管理員可以將任意一路視頻信號(hào)送往會(huì)議終端或其他分會(huì)場(chǎng)，但不會(huì)影響其他端口顯示內(nèi)容和效果
與BGBHV矩陣一樣，設(shè)計(jì)一個(gè)視頻矩陣的基本原則也是根據(jù)信號(hào)源和顯示終端數(shù)量的多少以決定矩陣的通道數(shù)，由于矩陣規(guī)格的差異（通道數(shù)的多少）在價(jià)格上的體現(xiàn)非常明顯，在預(yù)算一定的情況下，使選擇一個(gè)矩陣的通道數(shù)也會(huì)變得比較敏感，對(duì)于以后的擴(kuò)展也是一個(gè)考驗(yàn)。除此之外，下面敘述的幾個(gè)問題也是作為器材選型需要考慮的因素。
2. 視頻信號(hào)的帶寬
復(fù)合視頻信號(hào)根據(jù)制式的不同，信號(hào)的帶寬也有一定的差異，見下表。由于復(fù)合視頻的傳輸帶寬相對(duì)比較窄，目前在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并不是一個(gè)主要的考慮因素。
3. -3dB衰減點(diǎn)
視頻信號(hào)在理想效果內(nèi)的傳輸帶寬范圍或傳輸距離稱為-3dB點(diǎn)，也稱為1/2功率衰減點(diǎn)。在-3dB點(diǎn)范圍內(nèi)，信號(hào)不會(huì)在處理或傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p失，任何有信號(hào)輸入輸出的器材都會(huì)存在帶寬的限制，視頻信號(hào)平坦的頻率響應(yīng)在-3dB點(diǎn)之前，同時(shí)還要注意所選擇的器材帶寬是否在“滿負(fù)載（Fully Loaded）”的狀態(tài)測(cè)試。因?yàn)橛泻芏嗥放频臉?biāo)稱參數(shù)是在“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的狀態(tài)下測(cè)試，當(dāng)系統(tǒng)在滿負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，傳輸帶寬會(huì)大打折扣，這種標(biāo)稱的參數(shù)就顯得沒有任何意義。
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4. 視頻信號(hào)的線性失真
由于系統(tǒng)特性而產(chǎn)生的失真，與信號(hào)本身幅度無關(guān)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間保持線性關(guān)系，公式U2=KU1 ，其中U2代表輸出信號(hào)，K代表傳輸函數(shù)（頻率或時(shí)間函數(shù)），U1代表輸入信號(hào)。系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性不均勻，是由于電路中存在電抗性元件及各種分布參量引起。
5. 視頻信號(hào)的非線性失真
信號(hào)在傳輸中引起的失真與被傳輸信號(hào)本身的幅度有關(guān)時(shí)，這種失真稱非線性失真，輸出輸入信號(hào)之間已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。公式:U2=K（U1）U1，傳輸函數(shù)K（U1）不僅是頻率或時(shí)間的函數(shù)，而且是輸入信號(hào)的函數(shù)。
非線性失真由非線性元器件引起，它們的參數(shù)隨作用于它們的信號(hào)電平而變化（受信號(hào)電平大小影響）。傳輸系統(tǒng)的非線性與信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)，失真的范圍很廣，從信號(hào)成分大致分為如下內(nèi)容:
· 亮度信號(hào)的非線性失真
· 色度增益的非線性失真
· 色度相位的非線性失真
· 色度、亮度的交調(diào)失真
· 微分增益失真
· 微分相位失真
· 同步信號(hào)靜態(tài)非線性失真
· 同步信號(hào)動(dòng)態(tài)非線性失真
6. 行時(shí)間波形失真
反映行頻至500KHz的中頻失真，代表圖像中較大尺寸內(nèi)容在水平方向的亮度變化，中頻失真會(huì)造成圖像沿水平方向界限不清，嚴(yán)重時(shí)造成水平方向拖尾，有點(diǎn)類似RGBHV信號(hào)的“低頻響應(yīng)不良”故障。 7. 色度/亮度增益差
輸出信號(hào)亮度分量和色度分量幅度比與輸入信號(hào)幅度比的改變稱為色度/亮度增益差，由于通道對(duì)色度分量和亮度分量的放大不一致造成。色飽和度失真，類似色飽和度調(diào)節(jié)不當(dāng)，增益差為負(fù)時(shí)，圖像色彩變淡、人物神色不佳；增益差為負(fù)時(shí)，顏色過濃、輪廓不分明，類似濃重的填色畫，缺乏真實(shí)感。
8. 亮度非線性
當(dāng)平均圖像電平為某一定值時(shí)，將起始電平從消隱電平逐步增加到白電平的小幅度階躍，信號(hào)加至通道輸入端、輸出端相應(yīng)各階躍幅度比值間的最大差值。
亮度非線性會(huì)造成圖像失去灰度、層次減少、分辨率降低（由于色度信號(hào)是迭加在亮度信號(hào)上），產(chǎn)生色飽和度失真。亮度非線性由元器件的非線性造成:工作點(diǎn)不對(duì)，輸入幅度過大。
9. 微分增益失真
由于圖像亮度信號(hào)幅度變化引起色度信號(hào)幅度的失真稱為微分增益失真，不同亮度背景下的色飽和度失真，影響彩色效果（如穿鮮紅衣服從暗處走向亮處，鮮紅衣服變濃或變淡）。
GY/T107-92（電視播控系統(tǒng)視頻運(yùn)行指標(biāo)）甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微分增益失真±0.2°，目前具備良好性能的視頻矩陣都會(huì)控制在±0.1°。
10. 微分相位失真
由于圖像亮度信號(hào)幅度變化引起色度信號(hào)相位的失真稱為微分相位失真，不同亮度背景下色調(diào)產(chǎn)生失真，會(huì)造成某種顏色變成其他顏色（如穿鮮紅衣服從暗處走到亮處，鮮紅衣服會(huì)偏黃或偏紫）。
在NTSC系統(tǒng)中，彩色信號(hào)矢量角的變化代表了色調(diào)的變化，所以微分相位對(duì)信號(hào)的影響是很嚴(yán)重的。而PAL系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧酥鹦械瓜嗉夹g(shù)，所以自身補(bǔ)償作用使得用色飽和度的變化代替了色調(diào)的變化�？偟膩碚f，微分相位是用來描述亮度信號(hào)的幅度變化對(duì)彩色色調(diào)影響的一個(gè)參數(shù)。
GY/T107-92（電視播控系統(tǒng)視頻運(yùn)行指標(biāo)）甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微分相位失真±0.2%，目前具備良好性能的視頻矩陣都會(huì)控制在±0.1%。
11. 微分失真的原因
色度信號(hào)4.43MHz±1.3M處在視頻高端，容易受通道中分布參量影響:工作點(diǎn)的不正確對(duì)結(jié)電容影響大，從而影響傳輸通道的阻抗參量。
控制微分相位失真和微分增益失真，需要保證傳輸通道中視頻放大器和視頻處理單元，要有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，改善傳輸通道的幅頻特性和相頻特性，嚴(yán)格控制元器件分布參量的影響。
12. 色度/亮度交調(diào)失真
把規(guī)定幅度的色度信號(hào)迭加在恒定幅度的亮度信號(hào)上并加至通道的輸入端，而平均圖像電平保持在某一特定值時(shí)，輸出端由于迭加的色度信號(hào)而引起亮度信號(hào)幅度的變化稱為色度/亮度交調(diào)失真。
在彩色信號(hào)中，色度信號(hào)是迭加在亮度信號(hào)上的，由于系統(tǒng)非線性存在，會(huì)使色度信號(hào)的正負(fù)半周失去對(duì)稱性，相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)直流分量（軸移），它使亮度信號(hào)出現(xiàn)非線性幅度失真，失真大小隨副載波幅度變化，是微分相位增益的逆過程。
圖像出現(xiàn)彩色字幕時(shí)，失真較明顯，彩色字幕相對(duì)應(yīng)的背景亮度上的對(duì)比度產(chǎn)生失真。
13. 隨機(jī)信噪比
隨機(jī)信噪比指整個(gè)頻譜上的雜波，但是高頻的雜波干擾在圖像上表現(xiàn)的是細(xì)小的微粒，人眼不易察覺，因此加上一加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，使干擾的情況符合人眼觀看的實(shí)際狀況，稱為隨機(jī)信噪比的加權(quán)。
14. 周期信噪比
周期信噪比來自電源干擾:1KHz以內(nèi)交流聲及其諧波的干擾，原因是穩(wěn)壓電源紋波系數(shù)大、空間交流電磁場(chǎng)感應(yīng)、接地不良或地線布置不合理（接地點(diǎn)地電位不同引起的共模干擾）、箝位電路不良造成。周期噪音會(huì)造成 靜止或滾動(dòng)黑條、黑帶，嚴(yán)重時(shí)垂直方向圖像扭動(dòng)，破壞同步。
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