《音视频设备与系统工程》1 音视频系统工程基础

第一部分音视频系统工程基础本章内容是《音视频设备与系统工程》课程的基础部分，涉及到《舞台音视频系统工程》、《多媒体教学系统工程》等六个典型工程项目教学中频繁使用的基本概念和重要原理，知识和技能在整个课程学习中具有很强的通用性。这一部分的教学内容由于包含大量的陈述性知识，也是该专业学生在音视频技术领域需要具备的常识，认知学习方式主要为理解和记忆。第一讲音视频技术的发展与应用第二讲音视频系统结构及组成示意图第三讲图像成像及显像知识第四讲信号的数字化过程第五讲常用音视频信号类型与接口第六讲视频显示设备的分类和特点第七讲视频显示设备的光学技术指标第一讲音视频技术的发展与应用一、什么是音视频技术音频（Audio，A）技术和视频（Video，V）技术及其融合（AV）是音视频技术领域的研究对象，从以电视录像为主的传统学校电教室到追求视听享受的家庭影院，再到音频设备（音响）与视频设备完美结合的现代多功能厅、会议室和歌舞厅，音频技术和视频技术的融合程度越来越高，目前，AV技术已经渗透到人类生活与工作的方方面面。随着计算机技术和网络技术的发展，AV技术呈现出与信息技术（IT）融合发展的趋势（InfoAV），体现了数字化、智能化、网络化的特征。二、音视频技术的应用当代音视频技术融计算机、声音、文本、图像、动画、视频和通信等多种功能于一体，借助日益普及的高速信息网，可实现音、视频信息的资源共享，音视频技术已经深入到人们日常生活中、学习、工作、生产、管理等各个方面，包括工农业、商业、政府机构、教育部门、交通、金融、军事、公安、电力、通信、能源、建筑、娱乐和医疗卫生等领域。第二讲音视频系统结构及组成示意图第三讲图像成像及显像知识本讲主要介绍与视频设备密切相关的图像成像、图像传输和图像显示的知识。一般性了解：视觉暂留、电视制式、高清格式、灰度级、CCD、视频带宽、扫描频率。重点讲解：三基色原理、电视成像与传像原理、清晰度与分辨率、视频扫描格式。三基色原理自然界中出现的各种彩色，几乎都可以用某三种单色光以不同比例混合而得到。具有这种特性的三个单色光叫基色光，这三种颜色叫三基色。电视技术中使用的三基色是红、绿、蓝三色，其主要原因是人眼对这三种颜色的光最敏感，且用红、绿、蓝三色混合相加可以配出较多的彩色。根据三基色原理，我们只需要把要传送的各种彩色分解成红、绿、蓝三种基色，然后再将它们转变成三种电信号进行传送。在接收端，用彩色显像管将这三种电信号分别转换成红、绿、蓝三色光，就能重显原来的彩色图像。利用三基色原理，将彩色分解和重现，实现视觉上的各种彩色，是彩色图像显示和表达的基本方法。电视成像与传像原理在电视技术中，传输彩色图像，实质上就是传输图像的亮度和色度。电视是根据人眼的视觉暂留特性和视觉心理，运用电子技术和光电技术，传送活动图像和声音信息的系统。通常由摄像、传输、显像三部分组成。我们先用摄像机将景物随时间和空间变化的光图像转换为电信号，即光信号转换为电信号，然后经过放大、调制等过程，将图像电信号调制在一个高频载波上，通过天线以无线电波的形式发送出去。在接收端（电视机）利用显像器件把电信号还原成光信号，重现人眼看得见的图像信息。由此可知，电视传像的基本过程是通过光-电变换、信号传送、电-光变换而实现的。清晰度与分辨率图像清晰度（PictureDefinition）和图像分辨力（PictureResolution）是描述显示设备对图像细节重现能力的重要指标。图像清晰度指影像上各细部影纹及其边界的清晰程度，规定用屏幕上能分辨清楚的最高线数来表示，单位是“电视行(TVLine)”也称电视线。分辨率是指在摄录、传输和显示过程中所使用的图像质量记录指标，以及显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有屏幕结构，单位是“像素”。构成一幅图像的像素越多，图像就越清晰、逼真。图像信号的分辨率和显示设备的分辨率是由制式和规格决定的，其数值固定不变。视频扫描格式：隔行扫描和逐行扫描隔行扫描（I）和逐行扫描(P)都是在显示设备表示运动图像的方法，通常电视显示画面的扫描方法都是从左到右从上到下，每秒钟扫描固定的帧数。第四讲信号的数字化过程音视频系统中，前端信号源设备最初多以模拟电信号形式生成音视频信号，在之后对信号的处理、传输和接收过程中则可能要进过一次或多次模数转换（A\D）或数模转换(D\A)。信号的数字化实际上需要进过采样、保持、量化和编码四个过程。第五讲常用音视频信号类型与接口视频信号类型与接口在实际的工程技术中，随着视频清晰度的不断提高，从早期的RF信号开始，经历了AV、S-video、YCbCr\YPbPr、VGA、DVI、HDMI等各种信号类型。RF信号是视频信号(CVBS)和音频信号(Audio)混合编码生成的一种高频调制信号(RF)，采用同轴电缆传输，由于音视频信号之间相互干扰较大，它的视频清晰度是视频信号中最低的。Video：这类接口通常与音频接口（Audio）一起称为AV接口，又称RCA接口（俗称莲花头），AV信号是对RF信号的改进，将视频信号和音频信号分离传输，在成像方面很大程度避免了视频与音频相互干扰对画质的影响，但由于Video信号依旧是将亮度信号和色度信号进行混合传输，因此，也称Composite复合视频端口，需要在终端显示设备上需要进行对亮度和色度的分离，色度、亮度的相互干扰以及分离过程造成的信号损失使得画面并不是特别出色，水平清晰度在300电视线左右。目前，AV接口广泛用于电视与DVD连接，也是每台电视必备的接口之一。S-video：称为S端子，是Super-Video(超级视频信号)或Separate-Video(分离视频信号)的简称。S-video与Video不同的是将亮度和色度信号分开传输，减少了影像在“分离”、“合成”转换过程中的信号损失，降低了设备内信号干扰而产生的图像失真，能够有效的提高画质的清晰程度。S端子支持设备最大显示分辨率为1024*768。YCbCr\YPbPr：YCbCr\YPbPr指分量信号（Component）也称色差信号，实质上是将S-video的色度信号再分解为色差Cr、Cb，这样就避免了两路色差混合编码和分离的过程。YCbCr表示的是隔行，YPbPr表示则是逐行。RGBHV信号：将视频信号分解为“R、G、B、H、V”五种信号，利用三基色原理对图像进行编码，即红、绿、蓝三种视频信号外加行（黑色）、场（黄色）同步信号，分别使用五根BNC线进行传输。RGsB、RsGsBs、RGBs均是常见传输模式。VGA信号是一种模拟视频信号，VGA（VideoGraphicsArray）接口，也叫D-Sub接口。VGA接口是一种D型接口，上面共有15针，分成三排，每排五个，常用于电脑显卡的输出接口，是电脑主机与显示器之间的桥梁，负责向显示器输出相应的图像信号，是一种模拟接口。DVI接口广泛应用于电脑和数字电视领域，与VGA接口不同的是，DVI采用全数字传输方式，是一种数字化接口，采用DVI接口可以将计算机产生的数字信号不加转换地直接传输到LCD等数字显示设备中，避免了通过模拟传输方式（如色差端子、RGBHV端子、VGA端子等模拟传输方式）传输信号的过程中的数字-模拟转换过程，提高了图像显示质量，但有效传输距离仅有5m左右。HDMI（HighDefinitionMultimedia），中文的意思是高清晰度多媒体接口，与DVI接口一样采用全数字传输方式，不同的是，HDMI接口不但可以提供全数字的视频信号，而且还可以同时传输音频，而数字化的传输不会像射频那样出现视频与音频干扰导致画质不佳的情况。HDMI接口可提供高达5Gbps的数据传输带宽，最远可传输15米，支持同时传输一个1080p的视频和一个8声道的音频信号，能有效解决系统连线杂乱的问题。SDI是一种数字视频格式，用于广播级视频传输，通常使用75欧的BNC端子、带屏蔽的同轴电缆进行设备的连接，电缆最大有效长度为250m，最高传输速率为270Mbps。视频格式的转换：一般来说，高级别格式向低级别格式转换，会造成信号的损失，没有太大意义，但在特殊情况下可以使用，例如将DVI信号转换成SDI或RGBHV信号，虽然损失了清晰度，但可以实现长距离传输；低级别格式通过倍频、信号调节等信号处理设备可以向高级别格式转换，能产生较为明显的质量提升。音频信号接口类型Audio：传输Audio信号通常采用RCA接口，又称非平衡式接口或莲花接口。RCA端子采用同轴传输信号（BNC）的方式，中轴用来传输信号，外沿一圈的接触层用来接地，也可以用来传输数字音频信号和模拟视频信号。RCA音频端子一般成对地用不同颜色标注：右声道用红色（R）；左声道用黑色或白色(L)。在5.1及以上声道中，中置和环绕声道连接线也会用其他的颜色标注来方便接线，但整个系统中，无论哪种颜色的RCA接头，在电气性能上都是一样的。TRS（6.35mm）,俗称“大三芯”，音频设备连接插头，用于非平衡立体声信号的传输，此时功能与RCA插头一样，也可用于平衡信号的传输，类同XLR接头。XLR称为“卡侬接头”、“平衡端子”、“麦克风插头”，用于平衡立体声信号的传输，是一种三线的连接端子，三根导线分别是正极（高端）、负极（低端）和屏蔽（接地）。一般来讲应用在专业或广播电视领域，XLR端子的优势在于平衡线性传输信号，这样可以在长距离传送音频信号时大大减少电子系统在工作时由于电磁、射频干扰而产生的噪音和哼声，但在消费类家用电器中，XLR传输的优势并不非常明显。微型3.5mm音频接头：CD播放机、MP3播放机、计算机电脑声卡均使用微型音频插孔用于音频立体声信号的输入\输出。在音频系统应用中，经常会需要将微型接口的音频输出（例如计算机声卡音频输出）转换成RCA左右两路音频信号用于后级设备的输入端（例如功率放大器或调音台）。第六讲视频显示设备的分类和特点视频显示设备主要分为直显型和投影型两大类，直显型显示设备的主要特征是在其自身所配置的屏幕上直接显示图像，例如阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器(LCD)、等离子显示屏(PDP)、有机发光二极管（OLED）显示屏、发光二极管（LED）显示屏等；投影型显示设备的主要特征是本身不直接显示图像，通过投影管、液晶板等一类器件加上专门的光学系统，将图像投射到特定的屏幕上以供观看，例如CTR投影机、液晶投影机、硅基液晶(LCoS)投影机、数字光学处理（DLP）投影机、ILA光阀投影机等，当前常见的有CRT投影机、LCD投影机和DLP投影机等。一、直显型视频显示设备的基本特点由于直显型视频显示设备是自身发光，所以通常其亮度较高，可以在外界光线较强的环境中使用，技术成熟，价格低廉，但在重放大尺寸图像方面不如投影型显示设备（如100英寸以上，LED显示屏除外），在显示同样尺寸画面的条件下，直线型视频显示设备的造价通常高于投影型视频显示设备的造价。二、投影型视频显示设备的基本特点与直显型视频显示设备相比，投影型显示设备的最大优点在于能够显示较大尺寸（50~300英寸）的图像，且体形轻巧，价格相对低廉，但在图像显示的亮度和操作使用的简便性方面不如直显型视频显示设备，容易受环境光线强弱的影响。CRT显示器成像原理：经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质（荧光粉）使其发光，电子束在偏转线圈产生的磁场作用下，可以控制其射向荧光屏的指定位置，电子束打在荧光屏上后会形成一个发光点，若干个发光点就可以组成图象。RGB三色荧光点被不同强度的电子束击中，就会产生各种色彩，通过控制电子束的强弱和通断，则可以形成各种绚丽多彩的画面。液晶显示器成像原理：液晶板由一排排整齐设置的液晶显示单元构成，一个液晶板有几百万个像素单元，每个像素单元有R、G、B三个小的单元构成。液晶体的主要特点是在外加电压的作用下其透光性会发生很大的变化。如果使控制液晶单元各电极的电压按照电视图像的规律变化，在背部光源的照射下，从前面观看就会有电视图像出现。液晶体本身不发光