劉力：高級工程師；畢業于清華大學無線電系，后進入中國科學院自動化研究所工作；曾參加國家重點科技項目的研發，現任北京利國電子公司總經理。聯系作者：liguo@liguo.com.cn
第四部分 信號的格式轉換，Scaler和幀同步
由于現在應用系統中所用的信號有許多種格式，如常見的VGA、Video、DVI 、SDI 、HDMI等等，在信號復合使用時就必然會出現格式的統一和轉換問題，其中主要包括以下幾種轉換方式。
一、模擬信號與數字信號之間的轉換
以往常用的模擬信號包括Video 、VGA 、Y/C 、RGB、YUV、YPbPr、 YCbCr等等，其中VGA是IT行業中用的，與DVI有對應關系，而其他的基本上都是視頻行業的信號，可對應SDI， HD-SDI或HDMI等信號，我們不去考慮數字信號中許多的協議情況，僅從信號本身的轉換了解一下。從模擬到數字的轉換是A/D的過程(Analog To Digital)。其包括兩個主要概念: 1、采樣率；2、量化的bit數。采樣率是指一秒鐘內對信號進行多少次的采樣，如一秒鐘采一次樣，采樣率就是1Hz，如果采1,000次，采樣率就是1KHz，以此類推，目前，音頻的采樣率有48KHz、96KHz、192KHz等等，對應視頻的采樣率，一般Y采取13.5MHz，U/V采取6.25MHz，如果是R、G、B色域；會采用全部13.5MHz等等，在第一部分已經作過一些介紹。采樣率的選用要根據所希望保留的信號帶寬，根據奈奎斯特采樣定律，模擬信號的帶寬最大能達到采樣率的1/2，對應第一部分中的介紹就能明白了，同時采樣率還要和行/場有對應關系，與色負載波有對應關系等，因此才出現了如13.5MHz和74、25MHz等數值。量化的bit數是指將一個歸一的數值，如1進行多少份的量化，如果將1分成兩個1/2，采樣的bit數為1，即21＝2。它能描述一個信號的幅度是否比1/2大或是小，但如果實際信號大于1/2又不到1，就無法知道具體是多大，只知道是介于1與1/2之間，描述比較粗糙，如果采樣bit數是2 ，即22＝4，將信號分成4份，我們可以描述某信號是介于3/4與1/2之間，就比較準確了，如果量化bit數是8，那么我們選一個信號時其精度就能達到28=256，1/256的誤差，如果是10bit數，其誤差就能達到1/1024，以此類推。目前音頻采樣量化可達12bit，16bit，Video的采樣量化一般為8 bit。
D/A(Digital/Analog)，這就是A/D的反過程。
二、模/數轉換中的損失
從A/D與D/A的過程中了解到，數字信號只能盡可能少損失地描述模擬信號，但不能完全真地還原，這里包括幾個問題：
1、帶寬的損失，按照奈奎斯特采樣率，所能保留的最大帶寬為采樣率的1/2，這一數據在實驗中也得到證實，附圖是我們在測試VGA信號的光纖傳輸設備時的測量數據，黃線是VGA信號的頻譜組成，而藍線是經過光纖傳輸(其中包括有一套A/D和D/A的過程)所得到的頻譜，因為數字信號不會在傳輸過程中有其他損失，因此造成的損失由A/D、D/A承擔。在原信號3dB點上看時，正好增加損失了6dB，復合理論上的一次A/D、D/A過程，帶寬損失6dB的描述。
2、信號的損失，由于采樣bit數有限，因此對信號的描述不可能完整，總要損失許多信息，按照理論上的推算，8bit的采樣對信號造成的損失可達信噪比52-54dB左右，10dB的損失可達60dB左右，(信號有些內容損失了對原信號來講，也是一種噪聲)，因此現在量化bit數在不斷增加，從8bit到10bit到12bit，如HDMI和DP中的DeepColour， 帶來的是帶寬的增加。
三、數字信號之間的轉換
數字信號由于采用的編碼形式不同，在復用時也要進行轉換，原則上，因為都是數字信號，不存在A/D和D/A的過程，不會再有嚴重損失了，但實際上由于各種數字信號在原生成時所依據的信號是不同的，如SDI與HD-SDI是依據YUV色域空間的，而VGA、DVI、HDMI、DP等是RGB色域空間的。我們知道，采用YUV色域就是可以利用UV帶寬壓縮以減少帶寬，因此基于YUV色域的信號比RGB色域的信號帶寬小，由YUV色域向RGB色域轉換，只是色域轉換了，不能增加信息，但從RGB色域向YUV色域轉換就必然會損失許多信息。例如HDMI信號，其支持RGB色域和YUV色域，同樣的信號，在YUV色域看時明顯比RGB色域時要差，因此我們一般不建議將RGB色域的信號轉成YUV色域的信號，明顯是吃虧了。 [Page]
除了色域的問題，其它就是信號格式的問題了，原則上講只需要將格式轉就行了，現在也有專門的芯片完成這一功能。但要形成完整的信號，其中的各種協議和一些具體要求不同，給轉換造成許多麻煩，例如SDI和HD-SDI是廣播電視行業的標準，其只針對特定的幾種分辨率，對時鐘精度的要求極高，如果把DVI等其它要信號轉成SDI信號，除了色域的損失外，時鐘精度很難達到SDI的要求，因此可能造成與其他設備聯接時出現的問題，這些情況大家要預先考慮到，防止使用時的突發情況。
四、分辨率轉換Scaler問題
在視頻領域(Video、YUV、Y/C、SDI、HD-SDI等)，其分辨率就是幾種，如480p、720p、1080i、1080p等，與IT行業常用分辨率相比，少得太多了。復合使用時，為了將信號統一，就要求將所有信號統一到一種或幾種分辨率情況下，因此，此時的轉換可能不僅是A/D、D/A的轉換，也要包括分辨率的轉換。這是一個較為復雜的過程，主要有以下幾個問題。
1、隔行與逐行的問題，最早的視頻信號是采用隔行顯示的方式以節省帶寬，而IT行業中是逐行顯示的，隔行的信號是將一幅(一幀)畫面采用兩次取樣，第一次取奇場，第二次取偶場，兩場信號交叉疊加形成一幀圖像。如果是一幀靜止圖像，這樣沒什么問題，二場圖像之間沒有位置差，如果是運動圖像，兩場圖像間的位置就有差異。而IT行業中采用的是逐行顯示，即一次就將一幅(一幀)畫面全取下來，逐一地行行顯示，同一幀的圖像沒有位置差。但在轉換時就麻煩了，將隔行轉換為逐行時，如果將兩場信號按順序地顯示，如奇場對應第一幀逐行圖像，偶場對應第二幀逐行圖像，就有明顯的“拉毛”現象，出現毛刺，如果只采用一場圖像，則分辨率就會損失，且畫面抖動會明顯。現在雖然出現了許多去隔行算法，但都無法從根本上解決，搞過圖像處理的人都知道，去隔行算法往往是Scaler的主要指標。
2、分辨率上的轉換，從一種分辨率到另一種分辨率轉換，必會帶來許多損失。因為原裝的分辨率圖像是真實的，無法采用什么算法，新生成的圖像其信息是利用原圖像算出來的，只是主觀感覺好一點。比如一個極簡單的例子，由2個點算成4個點，如果將兩個點重復變成1、1、2、2，從顯示上來，雖然每個圖像的信息是真實的，但像素點很粗，如果采用算法變成1、1、1、2，則中間的畫面點的信息是假的，這在圖像處理的角度上講是損失了圖像質量，何況圖像處理中不僅有行方向的變化，還有場方向的變化，幀數不同造成的幀頻方向變化，新產生的圖像從質量上講是變壞了，只是主觀上好看了一點。
3、Scaler破壞了圖像的質量，但為了信號的統一復用，這個過程有時是必須的，只是我們應該明白：①盡可能減少轉換次數，別將一個信號三番五次地轉換；②盡可能由低向高轉，低帶寬向高帶寬轉換，如視頻向IT轉，其中尤其是隔行轉換，會使圖像看上去“好轉一些”，盡可能別向下轉換，除非萬不得已。
五、幀同步的問題
在應用中大家都會遇到這種問題，多路信號上屏時，在切換的時候，會出現屏幕圖像跳動、黑屏等現像，有時黑屏的時間會很長。從視頻應用開始就有黑屏現象，到VGA應用和數字應用中，黑屏現象可能會更明顯。黑屏的過程如下：屏(或投影機等)在顯示一路信號時，其行場同步和采樣時鐘與信號中的時序信息是對應的，此時切換為另一組信號，其行/場，同步與時鐘馬上要和新來的信號進行鎖相，這是需要時間的。針對模擬視頻，由于其分辨率較少，只有NTSC制、PAL制、SECAM制等，行場的頻率和采樣時鐘是幾種固定的格式，因此變化不太大，只需要簡單判定一下是多少，隨后馬上可以鎖定到該頻率上，因此鎖相時間較短。在1/4秒內可完成，既使是如此短的時間，屏幕也會跳動或黑屏。而IT行業則比較麻煩，對VGA信號來說，要根據行場頻率及同步的極性，決定是何種分辨率，時鐘頻率是多少，由于分辨率眾多，不可能一次就鎖定該頻率，而是一個漸近的鎖相過程，因此黑屏時間就要長。數字信號也是如此，要根據所傳來的時鐘信號及EDID等信息去判斷，最終鎖定新的信號，這一過程要幾秒鐘的時間，對整體工程的質量造成很大的影響，因為用戶不懂，他們只關心屏不能黑，因此幀同步的概念就出現了。 [Page]
所謂幀同步是將圖像中的有效信號留存下來，再按照新的(或外來的)時序信號放出，從屏的角度上看，所來的信號時序是沒有變化的，就不必要重新鎖相，屏也就不黑了。在設計Scaler時，其中存在圖像處理的過程，必然要將圖像信號保存，并在生成新的圖像時，一定會按照新的時序發生信號，如果此時能保證在更換新信號時新的時序沒有變化或可與外部時序鎖相，那就可以成為幀同步機，因此我們在設計Scaler時會考慮其幀同步的功能。當然也可以專用設計幀同步機，如Video的幀同步機，VGA的同步機以及DVI、SDI等專門的幀同步機。