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攝像頭數據格式及接口技術?

此文包括視頻數據格式、傳輸協議、端子等內容。


一. 圖像傳感器數據格式(即圖像格式,軟件方面)
1.1 圖像傳感器數據
通常所說的30萬像素或130萬像素等,指的是有30萬或130萬個感光點。每一臺感光點只能感光一種顏色。圖像傳感器原始數據是RAW RGB格式(R、G、B中的一種),每個像素只有一種顏色。在Sensor模組的內部會有一臺ISP模塊,會將Sensor采集到的數據進行插值和特效處理,例如:如果一臺感光點感應的顏色是R,那么,ISP模塊就會根據這個感光點周圍的G、B感光點的數值來計算出此點的G、B值,那么,這一點的RGB值就被還原了,然后在編碼成601或656的格式傳送給Host。經過彩色插值就變成RGB。RGB 每個像素都有三種顏色,每一臺的值在0~255之間。



1.2 輸出的數據格式

圖像傳感器輸出格式主要分兩種:YUV(比較流行),RGB,YCbCr。
圖像傳感器將光信號轉換為RGB三基色電信號。視頻信號色差信號 由于攝像機中的原始信號和電視機機、監視器里的最終信號都是RGB信號,因此使用RGB信號作為視頻信號的傳輸和記錄方式無疑會有較高的圖像質量。但在實際應用中往往不是這樣,因為一則這會極大地加寬視頻信號帶寬,增加相關設備成本;二則這也與現行的黑白電視機不兼容。為此三基色信號按一定比例組合成亮度(Y)和色度(U,V)信號,它們之間的關系如下:



  即:藍色差信號(B-Y)、紅色差(R-Y)兩個色差信號和一臺亮度信號(Y)。色差接口在XBOX、PS2、PS3、DVD中有色差信號輸出。家用電視機機中有色差信號輸入端子,有兩個插頭,一臺插頭為藍色代表藍色差信號,一臺插頭為紅色代表紅色差信號。色差信號可以轉換為RGB、YUV、Video等信號。為了使U、V和Y能在一臺頻帶內傳輸,到達黑白/彩色視頻信號接收兼容的目的,還需將這兩個色度信號進行正交幅度調制。設U(t),V(t)為色度信號,Y(t)為亮度信號,


  • RGB
    RGB是最常見的色彩空間。這其中的RGB就是Raw RGB,是sensor的bayer陣列獲取的數據(每種傳感器獲得對應的顏色亮度); 但是輸出的數據不等于就是圖像的實際數據,模組測試時,就要寫一臺軟件,完成數據采集(獲得Raw data)->彩色插值(目的是獲得RGB格式,便于圖像顯示)->圖像顯示;
  • YUV是一種基本色差空間,被PAL,NTSC,SECAM用于符合色差視頻標準。Y表示亮度,U和V表示色調。



常用格式:

---YUV 4:4:4
--YUV 4:2:2
--YUV 4:2:0
--YUV 4:1:1


  • YCbCr是將YUV縮放和偏移的改動版本。




1.3 數據編碼標準
(1)采樣頻率

為了保證信號的同步,采樣頻率必須是電視機信號行頻的倍數。CCIR為NTSC、PAL和SECAM制式制定的共同的電視機圖像采樣標準:
fs=13.5MHz
這個采樣頻率正好是PAL、SECAM制行頻的864倍,NTSC制行頻的858倍,可以保證采樣時采樣時鐘與行同步信號同步。對于4:2:2的采樣格式,亮度信號用fs頻率采樣,兩個色差信號分別用
fs/2=6.75MHz的頻率采樣。由此可推出色度分量的最小采樣率是3.375MHz。


(2)分辨率

根據采樣頻率,可算出對于PAL和SECAM制式,每一掃描行采樣864個樣本點;對于NTSC制則是858個樣本點。由于電視機信號中每一行都包括一定的同步信號和回掃信號,故有效的圖像信號樣本點并沒有那么多,CCIR 601規定對所有的制式,其每一行的有效樣本點數為720點。由于不同的制式其每幀的有效行數不同(PAL和SECAM制為576行,NTSC制為484行),CCIR定義720×484為超清晰度電視機HDTV(High Definition TV)的基本標準。實際計算機顯示數字視頻時,通常采用下表的參數:

電視機制式分辨率幀 率
NTSC640×480 30
PAL 768×57625


(3) 數據量

CCIR 601規定,每個樣本點都按8位數字化,也即有256個等級。但實際上亮度信號占220級,色度信號占225級,其它位作同步、編碼等控制用。如果按fs的采樣率、4:2:2的格式采樣,則數字視頻的數據量為:
13.5(MHz)×8(bit)+2×6.75(MHz)×8(bit) = 27Mbyte / s
同樣可以算出,如果按4:4:4的方式采樣,數字視頻的數據量為每秒40兆字節!按每秒27兆字節的數據率計算,一段10秒鐘的數字視頻要占用270兆字節的存儲空間。按此數據率,一張680兆字節容量的光盤只能記錄約25秒的數字視頻數據信息,而且即使目前高倍速的光驅,其數據傳輸率也遠遠達不到每秒27兆字節的傳輸要求,視頻數據將無法實時回放。這種未壓縮的數字視頻數據量對于目前的計算機和網絡來說無論是存儲或傳輸都是不現實的,因此,在多媒體中應用數字視頻的關鍵問題是數字視頻的壓縮技術。

(4)視頻壓縮格式

二.視頻信號(即硬件電子的電壓電流信號)


視頻信號協議有RGB/TTL, LVDS,VGA, HDMI, MIPI, TYPE-C, DP, BT656/601, BT1120,DVI、SDI、Camera link、HS-LINK、CoaXPress,標清CVBS、超清模擬(AHD,CVI,TVI)、COAX-FPD LINK III等。
RGB/TTL、MIPI、LVDS常用于芯片之間通訊;目前在視頻會議領域CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI使用最廣泛,在廣播電視機領域CVBS、HDMI、SDI使用最廣泛,在安防領域CVBS、SDI使用最廣泛。


--VGA是Video Graphics Array的縮寫,是計算機的常用模擬輸出接口。常見的分辨率有1024x768、1280x1024、1600x1200.

--HDMI是High Definition Multimedia Interface的縮寫,是數字超清多媒體接口。HDMI 1.2的最大視頻帶寬為3.96 Gbps,這在工業相機應用比較廣泛,但是在消費電子領域HDMI目前已經發展到2.0版本,最大視頻帶寬為14.4 Gbps。

--DVI是Digital Visual Interface的縮寫,也是計算機的常用輸出接口,該接口是數字接口。

--HS-LINK接口是由DALSA公司牽頭定義

--SDI是Serial Digital Interface的縮寫,是一種廣播級的超清數字輸入和輸出端口,常用于廣播電視機的攝像機接口,SDI接口的傳輸速率上限為2.97Gbps.SDI接口采用和CVBS接口一樣的BNC接口,采用單根銅軸進行信號傳輸,布線施工非常省事,傳輸距離可達300米,在最初的廣電領域和安防領域非常受歡迎。

--CVBS是標清模擬視頻信號接口,分辨率為720x576(PAL制)或者720X480(NTSC制)。

--超清模擬
AHD TVI CVI都是模擬攝像機的升級版,俗稱同軸,三種名稱只是用的方案系統不一樣而已,相比模擬的效果清晰,和模擬的外觀都是一樣的bnc接口,視頻線傳輸,優點都是實時流暢,占用儲存空間小,但是和模擬的要用不同的錄像機。

  • CVI,全名為“超清復合影像接口”(High Definition Composite Video Interface,HDCVI),是由浙江大華技術股份有限公司自主研發,于2012年底公布的規格;
  • TVI,全名叫“超清影像傳輸接口”(High Definition Transport Video Interface,HDTVI),則是由來自美國硅谷的Techpoint Inc公司研發,也是目前杭州海康威視數字技術股份有限公司主力推廣的規格
  • AHD,全名為“模擬超清”(Analog High Definition),則是由韓國Nextchip公司推出的模擬超清解決方案。

    CVI、TVI、AHD在同軸線纜上實現超清傳輸,且傳輸距離增長明顯;都具有相比普通模擬更超清晰度、無亮色串擾的效果;相比SDI傳輸更遠、抗干擾能力強;相比網絡超清具有沒有延時、圖像無損、操作省事等特點。
    -- AHD模擬超清攝像機,是模擬攝像頭的一種,它和傳統模擬設備一樣操作,用普通視頻線SYV-75-3或者75-5同軸線傳輸,但是可以實現低成本、長距離、抗干擾、無延時的百萬像素級超清視頻傳輸。
    --HDTVI超清視頻傳輸接口攝像機,它是一種基于同軸電纜的超清視頻傳輸規格。HDCVI超清復合視頻超清攝像機,是一種基于同軸電纜的超清視頻傳輸規范,采用模擬調制技術傳輸逐行掃描的超清視頻。HDCVI技術采用自主知識產權的自適應技術,保證了在75-3及以上規格的同軸電纜至少傳輸500米高質量超清視頻,突破了超清視頻現有傳輸技術的傳輸極限。
    在使用中,CVI、TVI、AHD都沿襲模擬標清傳輸的途徑和方法,可減少施工部署的復雜度,降低輔材成本及維護復雜度,以及對施工人員的技術要求;適用于舊系統的升級改造,可在不改變原有系統的基礎上,將標清輕松升級為超清。
    CVI、TVI、AHD模擬超清區別



--COAX-FPD LINK III

汽車領域常用德州儀器推出的COAX-FPD LINK III的接口方案,使用同軸線傳輸。

不同信號接口需要通過轉換芯片才能傳輸通信:




三.視頻接口常用的鏈接器
視頻信號常與音頻信號分開傳輸,視頻傳輸質量:復合視頻信號 < S視頻信號 < 色差分量信號<VGA < DVI <HDMI.
3.1復合視頻信號(標準AV接口)





復合視頻接口(AV接口或Video接口),是目前最普遍的一種視頻接口,幾乎所有電視機機、影碟機都有這個接口。它是音頻、視頻分離的視頻接口,一般由三個獨立RCA插頭(又叫梅花接口、RCA接口)組成,其中V接口鏈接混合視頻信號,為黃色插口;L接口鏈接左聲道聲音信號,為白色插口;R接口鏈接右聲道聲音信號,為紅色插口。復合視頻接口有兩種端子:RCA端子和BNC端子。RCA端子就是通常所說的蓮花頭和蓮花座,BNC端子就是BNC頭和BNC座。RCA端子既可用在復合視頻接口,也可用在音頻接口,如果用在音頻接口的話,通常又叫3.5蓮花頭。



  • BNC鏈接器
    75表示電阻,后面的3和5表示其絕緣外徑(3mm/5mm )。視頻線:75-3傳輸距離約200米;75-5傳輸距離約500米;75-7傳遞速度距離約為500--800米;75-9傳遞速度距離約1000---1500米;75-12傳速距離約為2000----3500米。





  • RCA鏈接器(俗稱蓮花頭)



3.2 S-端子(或Y/C )
S接口也是非常常見的接口,其全稱是Separate Video,也稱為SUPER VIDEO。S-Video鏈接規格是由日本人開發的一種規格,S指的是“SEPARATE(分離)”,它將亮度和色度分離輸出,避免了混合視訊訊號輸出時亮度和色度的相互干擾。S接口實際上是一種五芯接口,由兩路視亮度信號、兩路視頻色度信號和一路公共屏蔽地線共五條芯線組成。


3.3 視頻色差輸入接口
分量視頻接口也叫色差輸出/輸入接口,又叫3RCA。分量視頻接口通常采用YPbPr和YCbCr兩種標識。分量視頻接口/色差端子是在S端子的基礎上,把色度(C)信號里的藍色差(b)、紅色差(r)分開發送,其分辨率可達到600線以上,可以輸入多種等級訊號,從最基本的480i到倍頻掃描的480P,甚至720P、1080i等等。如顯卡上YPbPr接口采用9針S端子(mini-DIN)然后通過色差輸出<愛尬聊_百科大全>線將其獨立傳輸。





3.4 VGA

VGA是Video Graphics Adapter的縮寫,信號類型為模擬類型,視頻輸出端的接口為15針母插座,視頻輸入連線端的接口為15針公插頭。VGA端子含紅(R)、黃(G)、籃(B)三基色信號和行(HS)、場(VS)掃描信號。







3.5 DVI+DP

DVI接口與VGA都是電腦中最常用的接口,與VGA不同的是,DVI是以全數字傳輸的接口,所以在畫質上保證了完全無壓縮的傳輸。但并不代表其只是在電腦中的接口,實際上,無論VGA與DVI在其他領域應用的都非常廣泛,比如數字化的電視機等等。







標準DP接口:寬約17MM,高約6.3MM;
DVI-D接口:DVI 24+1接口,寬約24MM,高約7.8MM,DVI-D只能傳輸數字信號;
DVI-I接口:DVI 24+5接口,寬約24MM,高約7.8MM,DVI-I可傳輸數字信號與模擬信號,可用于數模轉換DVI轉VGA。



3.6 DB

D型接口是電腦上常見的數據接口,因形狀似字母D,故而命名。
DB9 :寬約18MM,高約9MM,串行通信接口RS232 即DB9針接口;
DB25:寬約38MM,高約8MM,并行打印機 LPT 25孔 --DB25
DB36:寬約50MM,高約13MM,并口打印機 36針



3.7蘋果系列
蘋果專有的 DVI 鏈接器將模擬和視頻信號加上 USB 和電源線合二為一。目前,蘋果使用標準的 DVI 鏈接器,但是你可能會在舊設備上發現這些顯示器鏈接器。
蘋果系列接口主要分3個類型,見上圖。
--Mini DP接口:寬約7.6MM,高約4.6MM。Mini DP接口與DP接口協議一致,可互轉;
--ThunderBolt:雷電接口,寬約7.6MM,高約4.6MM。綠聯Mini DP接口完美兼容雷電接口;
--Mini DVI接口:寬約11.3MM,高約7MM。



3.8 HDMI
超清晰度多媒體接口(英文:High Definition Multimedia Interface,HDMI)是一種數字化視頻/音頻接口技術,是適合影像傳輸的專用型數字化接口,其可同時傳送音頻和影音信號,最高數據傳輸速度為5Gbps。同時無需在信號傳送前進行數/模或者模/數轉換。HDMI可搭配寬帶數字內容保護(HDCP),以防止具有著作權的影音內容遭到未經授權的復制。
常見的HDMI接口有3類,如上圖示。
HDMI A TYPE:標準HDMI接口,寬約15MM, 高約5MM;
HDMI C TYPE:Mini HDMI接口,寬約10.5MM, 高約2.5MM;
HDMI D TYPE:Micro HDMI接口,寬約6MM, 高約2.3MM,手機等數碼設備超清接口





3.9 USB




3.10 以太網




3.11 音頻接口


編輯 舉報 2023-04-23 13:47

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