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VGA顯示與TV顯示的區別及轉換
VGA顯示與TV顯示的區別及轉換
`99中南地區省級電視臺技術協會技術論文二等獎隨著多媒體技術的迅速發展和普及, 人們自然要求計算機上運行的影視軟件能在電視上觀看，而電視節目和錄象帶. VCD也能采集到計算機中進行處理。由于芯片技術的飛速發展，所有的愿望都正在或即將變為現實，計算機與電視機的界限也越來越模糊。現在，計算機顯示用的是VGA格式，而電視機顯示用的是TV格式，如何實現兩種完全不同的掃描方式之間的轉換，就是本文將要討論的問題。
1 計算機圖象格式
首先讓我們回顧一下計算機圖象格式的發展歷史。從單色到彩色到真彩色，計算機圖象格式由早期的MacPaint GEM/IMG PCX
等格式，到后來繼續出現的GIF TIFF BMP TGA和JPEG等格
式，它一直是計算機界發展較快的一個領域。
MacPaint格式最早來自APPLE公司的Macintosh ，是一種位映
射式圖像文件格式（即在單色圖像中，計算機圖像緩存中的每一個
bit映射到屏幕上的一個像點）。這種格式表示的圖象尺寸固定，均
為576像點（寬）* 720像點（長）。在這種格式中，實際的圖像數據只占據文件的很小一部份，位于表頭及圖樣數據之后， 以及其簡
單的格式壓縮。一幅MacPaint圖象的原始數據可能會占用超過50KB的內存空間或磁盤空間。而實際上包含一個MacPaint圖象的磁盤文件很少有這么大。若一幅圖象的某一行全是白色，則該行只要用兩個byte就可以描述，而不必象它的未壓縮形式那樣存儲在72個byte中。第一個byte稱為索引，在此時為72，第二個byte為“數據”。解碼時將其重復72次就可以形成未壓縮形式的對應掃描行。MacPaint
文件的引人之處在于它們的數量非常多。無數令人感興趣的圖像均以MacPaint格式存儲在公用區域中，且沒有版權保護。這種格式的缺點是固定的圖像尺寸和超長的表頭。
GEM/IMG圖像文件格式是基于MacPaint格式有效的圖像壓縮
方法. 易于解碼的格式等優點，由Digital Research公司創建的與MacPaint格式相比它適用于任何尺寸的圖像。一般應用于Digital Research 應用程序和Ventura Publisher排版軟件。IMG文件的表頭只有16byte。
PCX格式是由ZSoft公司為它的PC Paint brush圖形軟件創建的。通常用于與IBM PC兼客的計算機 ，與PC Paint brush圖形軟件一起使用。它是計算機圖像技術中第一個支持彩色圖像的文件格式。它引入了調色板的概念。目前大多數PC軟件支持PCX格式的版本5，可以自行定義顏色面板。它一直是非WINDOWS（DOS）位圖圖像的事實上的標準, 并且大多數圖形程序都提供從它們自己的圖像格式到PCX格式的轉換方法。它不只是一種單獨的格式，它包括諸如8位，16位和24位彩色格式，以及真灰度格式和單色格式等一系列圖像格式。所有PCX文件均攜帶一個128 byte的表頭，用于定義圖像的尺寸，彩色調色板及其它一些有關的圖像數據。
GIF是“Graphics Interchange Format”圖形交換格式的首字母縮寫，是目前最流行的通用圖象格式之一。由CompuSever公司推出，它是一種壓縮文件格式，因為它能最大限度地減少文件轉換時間，所以常用于從簡報. 磁盤庫. 光盤中得到圖象。GIF在創建時已充
分考慮了視頻硬件的顯示尺寸將會不斷擴展，它對使用者完全開放，并予留了許多可用于擴展的“中斷口”。由一個256色GIF圖象文件創建的彩色圖片看上去非常逼真。與在電視屏幕上看到的正常模擬圖象幾乎沒有差別。GIF格式采用可變長度LZW壓縮方法，該壓縮技術的關鍵是“標記”，即用某種“標記”表示其可預測部分。LZW壓縮技術與其它壓縮技術的區別點在于它能夠動態產生“標記”。雖然編碼和解碼相對復雜一些，但LZW壓縮比 . BMP和 . PCX圖象采用的游程長度編碼壓縮RLE有一個重要的優點：壓縮率高。
TIFF是目前流行的圖象格式中最復雜的，它們可以支持各種尺寸的高達24位彩色的圖像。其最大特點是可移植性，很容易在各種不同結構的機器之間移植而無需過多的變動，常用于應用程序與計算機平臺之間的文件交換。它不依附于某種專用軟件，因此各種各樣的應用程序都可以支持它們。TIFF格式也采用LZW壓縮方法。TIFF格式為不同的圖象提供優化的子格式：
l B類TIFF文件是由編碼成每個像素一位的黑白圖象構成。
l G類TIFF用于每個像素4位或8位（16或256級灰度）組成的
灰度圖象。
l P類TIFF文件用每個像素1到8位支持彩色調色板。
l R類TIFF用于每個像素24位的圖象。
l F類TIFF文件用于傳真圖象。
BMP格式是一種運行于WINDOWS下的標準的位圖圖象文件格
式。目前被各種基于WINDOWS系列操作系統的用戶廣泛使用。當用戶對一幅圖象進行存儲時，計算機的默認格式就是.BMP。
TGA格式是由Truevision公司為視頻攝象機圖象而設計，用于幀捕捉的最主要的24位圖象格式，其典型的圖象尺寸為400*512個像素，每像素16 . 24或32位彩色。
JPEG格式一般用來顯示照片和WWW以及在線服務的HTML（超文本標記語言）文件，它能保存RGB圖象中的所有顏色信息。JPEG也是一種帶壓縮的文件格式，但在壓縮時文件有信息損失。
2 計算機視頻顯示卡
10年前，當人們對微機還很新奇的時候，IBM公司率先推出了
CGA（彩色圖形適配器）視頻顯示卡。這種最初的卡能支持最大分
辨率640*200個像素的圖形，它的分辨率和彩色是非常有限的后來
又推出了具有640*350個像素分辨率的EGA（增強型圖形適配器）
視頻顯示卡，在這種EGA卡中，有4個分頁的顯示緩沖區，每一頁對應一種顏色平面。接著又發展到了640*480個像素分辨率的VGA以及擴展VGA模式SVGA視頻顯示卡，它具有1024*768個像素顯示。
各種顯示卡的功能大體相同，它們均可被稱為“內存映射設備”。
對于計算機來說，它們都是可尋址的內存。它與程序內存的差別在于顯示內存含有某些額外的硬件配件，這些配件的功能是監視內存的工作，并促使內存的內容代表的數據在顯示屏幕上得以顯示。這些數據的實質隨著顯示卡當時所處的工作模式而變化，若顯示卡處于字符模式，則這個硬件配件監視大約4K的顯示內存，并把這里的字符送到屏幕上去顯示。如果顯示卡處于圖形模式，它則注視更大范圍的內存空間，并要把它發現的數據作為位映射圖形來解釋。顯示卡上顯示緩沖區中的數據發生改變時，將引起時刻監視它的硬件配件改變屏幕的顯示。對于高分辨率顯示，至關重要的是要有足夠大的顯示內存。一般支持640*480分辨率，256色的VGA卡需配512KB內存；而支持1024*768分辨率，256色的VGA卡則要求1MB的容量。
視頻顯示卡需要提供一種機制，來表示紅. 綠. 藍三種彩色光線
——陰極射線管的三種基本熒光彩色的百分比。構成此機制的一種明顯的方法，可以簡單的由三個byte（或三個寄存器）來構成每一個像點，每個byte（或寄存器）可分別代表一種基色的百分比。但這樣處理占據了大量的存儲空間，并需要使用功能強大的計算機系統支持。
在調色板驅動的顯示卡中，設計者讓每個像點并不直接確定它所代表的圖象那一點的顏色，即在該點上，像點不能規定紅. 綠. 藍三色光的百分比。相反它告訴顯示卡，在當前的調色板中應使用哪個表項來確定要求的彩色成分。調色板僅僅是一個搜索表，在此表中，每個表項都由三個數字所組成。通常情況下，顯示卡在同一時刻能夠顯示不同彩色的數量是很小的。調色板驅動的顯示卡通常能從一個很大數量的顏色范圍中挑選出某些顏色進行顯示。如EGA卡可以從64種顏色中選擇16種進行顯示，VGA卡則能從大約25萬種顏色中選擇256種進行顯示。
顯示卡一次能夠顯示的不同彩色數，是其調色板規格的一種函數，即調色板內表項的數目。此數目對于EGA卡是16，對于VGA卡則是256。從大量的彩色數中所選出的能夠用于顯示的彩色數目是一個控制等級的因子。這種控制是顯示卡通過它所連接的顯像管的三色槍的光強度來實現。在EGA卡的情況下，每支槍都能設置成四種光強度電位之一。因為有三支槍，所以總的彩色數目為4的三次冪即64。
在VGA卡的設計中，使用一種模擬監視器。這種監視器沒有專門的光強度級差。對每支槍的控制是通過一個模擬電壓來實現的。該模擬電壓是由連接至監視器的VGA卡中的一個六位數模轉換器產生的。數模轉換器根據輸入的二進制數產生一個與輸入相對應的
模擬電壓信號。6位二進制數可以產生64個分離的數值（2的6次冪），所以VGA卡可以為顯像管的三支彩色槍的每一支定義出64個亮度級別。總共可以產生64的3次冪，即262141種彩色。顯然以這種彩色成分的精細控制，VGA卡能夠產生非常細微的彩色差別。它能以足夠的彩色控制來模擬實際情況中的閃光色調 . 陰影的細節，以及自然光線產生的彩色差別。在實際應用中，對一幅彩色照片進行的數字化處理，很少需要超過256種不同的彩色。
3 VGA顯示的特點及與TV顯示的區別
VGA是視頻圖形陣列（Video Graphice Array）的縮寫，它是1987年IBM公司為PC機的顯示系統制定的標準。
VGA的顯示特點是掃描格式繁多，分辨率從320*200一直延伸到1280*1024，行頻15.8~70Hz, 場頻50~100Hz。常見的分辨率有320*200，640*400，640*480，720*350，800*600，1024*768，1280*1024。常見行頻有31.4Hz，37.8Hz，57.9Hz，62.5Hz等，常見場頻有50Hz，60Hz，70Hz，100Hz等。掃描方式有逐行和隔行，絕大部分是逐行。顯示模式有文本和圖形之分。顯示顏色有16，256，32K，64K，16700K種顏色之分。
相比之下，電視掃描只有625行/50 Hz 和525行/60 Hz兩種行場頻方式，而且全部為隔行掃描方式。
4 VGA到TV的轉換原理
在專業電視設備中，用數字制式轉換器在625行/50 Hz 和525行/60 Hz兩種掃描方式之間進行轉換。基本原理是通過幀存儲器，用一種制式的時序寫幀存，而用另一種制式的時序讀幀存，并用增減行場的方法調整掃描頻率。如從525行/60 Hz轉換到625行/50 Hz ，每幀增添100行，每秒減少10場。增減行場會引起運動圖象不連續，還必需用內插算法進行平滑。
VGA到TV的轉換也用同樣的原理，即重新設置VGA圖形加速器IC中的顯示控制寄存器，可把任意顯示模式改寫成電視掃描方式，但是需要重新編寫BIOS程序，實現起來并不容易。要把全部的VGA模式轉換成TV格式，還需設計復雜的識別和切換電路，造價很高。
VGA幾乎全部采用逐行掃描，電腦屏幕上的一條水平單線轉換到隔行掃描的電視屏幕上，就會僅出現在單場中，引起明顯的閃爍現象。同樣，閃爍也會發生在單個像素上。因而必需采取抗閃爍措施。一般的轉換芯片中的抗閃爍電路有三行內插濾波器和兩行內插濾波器之分，也可以旁路這些濾波器，對應著抗閃爍方式的高 . 中.無三種。場內插濾波器效果會更好，但成本高。
小于電視分辨率720*576的VGA模式，轉換為電視格式后會不滿屏，而大于電視分辨率的VGA模式會溢出屏幕。因而還要進行補點和增點采樣，這點與畫中畫（PIP）和電視墻所采用的技術相同。
VGA模式的象素是正方形，而CCIR 601電視標準象素是長方形，VGA圖形直接轉換成電視圖形后會產生幾何畸變。在計算機上畫一個圓，轉換到電視上就變成一個垂直方向伸長的橢圓。因而還需進行幾何畸變校正，也稱反走樣。
另外，VGA模式多數為偽彩色，灰度值不進行r校正。而電視顯示全部是真彩色，并經過r校正，轉換后的顏色和灰度會有差別，要求較高時也需進行處理。
圖1給出了一種單片VGA顯示到TV顯示轉換器的內部功能框。這種單片轉換器無須外接存儲器和微處理器，就能把多種VGA模式轉換成NTSC和PAL制電視模式。具有良好的抗閃爍和反走樣能力。輸入的是標準的VGA R G B和同步信號，輸出的是電視標準的NTSC/PAL復合電視信號和S—Video半分量信號。
標準的VGA R G B信號分別經過三個8位的A/D轉換器變換成數字信號，在視頻處理器中完成制式轉換，抗閃爍，反走樣和數字視頻編碼。三個9位分辨率的D/A把數字復合視頻和S—Video變換成模擬信號。R G B的采樣時鐘和存儲器的寫時鐘都由行同步產生。時序電路中的第一個鎖相環可產生與VGA圖形同步的采樣時鐘，時序電路中的另一個鎖相環以27MHz的石英晶體為基準，產生存儲器讀時鐘 . 視頻編碼器和D/A時鐘。內部靜態存儲器（800*8*5bit）的大小決定了該轉換器只能對常用的文本格式 . 分辨率為640*480，800*600；行頻31.25KHz，31.469 KHz；幀頻50Hz，59.94Hz，60Hz或以上行幀頻整數倍的圖形模式轉換成TV格式。這些模式已包含了大部分DOS和Windows下的應用軟件。
其他的VGA顯示到TV顯示的轉換器還有CIRRUS LOGIC公司推出的CL-GD 5425圖形加速器，可以在ISA和VESA VL-BUS兩種總線下工作，外掛2MB存儲器，能把320*200，640*350，640*400，640*480分辨率下的17種VGA模式轉換為電視制式。另外，Trident公司的TVG 9470能支持32位的PCI總線和4MB DRAM，把分辨率擴展到800*600真彩色模式。1996年Trident公司推出的Pro Vidia 9685 是目前市場上功能較強的轉換芯片，它支持64位PCI總線，把2D/3D繪圖和圖形加速器集成一體，能運行MMX指令編程的軟件。在圖形用戶界面上可開兩個窗口顯示活動圖象，片內優良的抗閃爍和抗鋸齒電路，使轉換后的電視圖象質量能達到專業級水平。
5 TV到VGA的顯示
由于VGA顯示器和電視機都是利用掃描光柵以及陰極射線管（CRT）來實現的顯示設備，所以在顯示的基本原理上兩者是十分近似的，所不同的是VGA顯示器比較強調電性能，如行場線性，分辨率，視頻放大的帶寬，圖象的穩定度等各方面指標均優于電視機，其掃描部分由于要兼容范圍寬達31.4KHz—62.5 KHz行頻，50 Hz
—100 Hz場頻的顯示模式，因而這部分電路比電視機復雜，但電視機小信號處理方面環節較多，功能較VGA顯示器復雜。因此，TV到VGA的轉換，只需在VGA的基礎上，加入電視信號處理電路，用電性能指標高的VGA顯示器兼容電視部分即可。首先要解決兩個行頻相差很大的系統實現協調工作。用一單片機控制系統完成VGA顯示和TV狀態的切換及因此而帶來的一系列參數控制，諸如高壓包供電電壓切換，行S校正電容的切換，行幅與場幅的切換等。其次完成將TV信號轉換成VGA顯示器所需的RGB和行場同步信號格式。也就是從RF電視信號輸入開始，中間加入AV切換，多種彩色電視制式的兼容，伴音處理，以及產生VGA顯示器視頻放大所需的RGB信號格式，和供行場掃描用的行同步與 場同步信號。
TV到VGA的轉換，除了可用于在計算機上實時收看電視節目之外，還可以用于對電視信號的實時捕捉，以使用各種圖形圖象軟件進行處理。
對PAL制全電視信號的實時捕捉，實際上就是復合視頻信號的數字化傳輸和記錄。根據PCM編碼原理，設采樣頻率為4Fsc，碼速率為
R=4Fsc*n
=4*4.33361875MHz*8bit
=142M bit/s
式中Fsc為副載波頻率，n為量化比特數。可見經數字化的PAL全電視信號，傳輸速率為142Mb/ s，折合到頻帶需70~140 MHz的帶寬，是模擬信道的12~24倍。這樣高的碼速率，在目前最快的Pentium-200上，用PCI總線傳輸和用9GB硬盤記錄，也只能存儲8分鐘的視頻數據，顯然無論在技術上還是在經濟上都是不可取的。因而，必需采用壓縮技術對視頻信號進行處理。目前主要有MPEG-1，MPEG-2和M-JPEG等幾種壓縮和解壓縮標準。其目的只有一個，減少數碼率。
除了數碼率以外，還有兩點必須考慮：一是選擇合適的采樣頻率，二是選擇滿足需要的量化層數。
對于采樣頻率，應從采樣定理，減少副載波干擾和合理的樣點空間結構三方面考慮，根據香農采樣定理和綜合前后置濾波器的易于實現，采樣頻率應不低于視頻基帶中最高頻率的2.2倍，視頻基帶一般為0~6 MHz，則采樣頻率應大于13.2 MHz。副載波頻率及邊帶位于亮度信號高端，且能量較大，量化過程中會產生諧波，某些諧波會通過采樣折疊到基帶中，與基帶亮度和色度產生差拍干擾。如果充分利用色度信號的頻譜間置特點，使采樣頻率與副載波相關，折疊到基帶中的副載波諧波就落在亮度頻譜間隙中，與色度信號頻譜重合產生零拍，而零拍干擾人眼不易覺察到。既滿足采樣定理，又與副載波采樣頻率相關。在PAL制中，只有3 Fsc和4 Fsc易于實現，而當采樣頻率為4 Fsc，與行頻關系近似為fs=(4n-1)fH，一行中近似包含整數個樣點，因此一場中相鄰行的樣點是近似對準的，設場存儲器為313行，一場的樣點為
Nfieid=行數*fS/fH
=313*fsc/ fH
=313*4（n-1/4+1/625）
1252 n-311
所以奇偶場的樣點也是近似對準的，一幀的樣點為
Nframe=625*4*( n-1/4+1/625)
=2500 n-621
所以幀間的樣點是重合的，可見用4 Fsc采樣時，將得到正交的空間取樣結構，這給數據處理帶來了方便，圖象質量也很好，電路簡單，在時基校正和幀同步系統中應用較多。
關于量化層數主要是根據信躁比確定，視頻信號與音頻信號相比，圖象的動態范圍不大，而且是單極性信號，這種信號的量化信躁比為S/N=10.8+6 n（dB），式中n為量化比特數，當n=8時，S/N=58.8 dB。然而，在系統中，同一視頻信號經多種設備反復進行量化處理，這時噪聲就會按10lg n(dB)上升，當反復處理4次時，信噪比降低了一倍，相當于量化比特數少了1比特。因而在反復進行數字處理的系統中，要根據實際情況增加量化比特。當前，專業數字視頻設備中最常見的是8~10比特量化，HD-End的頂級設備中用12比特量化。
要實現計算機對電視信號的實時捕捉，一般系統需包括多制式解碼器，視頻圖形加速器和存儲器。整個捕捉系統與一臺Pentium-100以上的微機的PCI總線相接。多制式解碼器用于將外部輸入的一路NTSC ，PAL或SECAM制式的復合電視信號，經A/D轉換，Y/C分離，產生視頻采樣時鐘，進行數字視頻解調。完成彩色空間轉換和雙窗口X/Y定標，輸出接口能直接與圖形加速器相連接。圖2給出了一個多制式專業視頻解碼器的內部功能結構。
視頻圖形加速器包含視頻捕捉，XY線性內插，雙頻合成，24
比特真彩色RAM D/A變換，具有PCI，VESA-VL總線接口，最高分辨率為1280*1024。圖3給出了一圖形加速器功能框圖。
以北京新奧特公司生產的非線形編輯系統為例，該系統采用了Matrox 公司的Digisuit套件中的Mlarvel Millennium高速X.Y定標顯示卡，支持8MB DRAM，能實時采集視頻圖像并進行MPEG壓縮后與GUI疊顯，實現了VGA圖像與TV圖像同屏顯示，TV窗口的大小和位置均可改變。
5 應用及市場前景
隨著信息產業的飛速發展和PC的迅速普及，傳統的家電產業正與計算機信息產業互相滲透和融合。家庭越來越需要一種既能觀看普通電視節目，又能顯示各類計算機信息的兼容顯示終端，并能滿足多媒體發展的要求，從而使每個家庭的電視和微機能組合在一起，形成一個信息交流和娛樂的中心。
早期的市場這類產品主要是在計算機擴展槽上加裝TV卡或在計算機外部加裝機頂盒，TV卡占用計算機資源，收看電視節目時不能再同時處理微機信息；機頂盒雖然可離開微機單獨工作，操作簡單，但它也只能收看一種電視制式節目，且成本較高。
隨著WIN95. WIN98的風行和互聯網的逐漸深入人心，人們對顯示器的追求也日趨高檔化。這也推動了顯示器技術的發展并使市場的競爭日趨激烈，如今無論是計算機的顯示器還是電視機的屏幕，尺寸都越來越大，顯像管的工藝和性能也大大提高，例如SONY的顯像管單槍三束的電子槍，就采用了直角柱面設計，近年來通過逐步完善其屏幕防靜電，防反射，鍍膜處理等特性能夠充分改善視覺效果，給人一種很舒適的感覺。三菱的鉆石屏還在柱面管的基礎上增加了四倍速動態聚焦技術，使顯像管的四個邊角區域的顯示效果與中間區域的顯示效果趨于一致，在整個畫面上達到均衡的顯象清晰度。所有這一切均昭示著一個巨大的市場。這也就是為什么目前國內眾多的家電廠商紛紛進軍計算機多媒體大屏幕彩顯的原因。
資料顯示有：西湖電子集團成功研制出25英寸和29英寸大屏幕多媒體彩顯。該彩顯配置一臺電視接收轉換器，即可接收廣播電視節目，又可接DVD。長安集團開發的“長信”牌顯示電視監視三合一大屏幕多媒體彩顯。有21 . 25 . 29 英寸三種屏幕，分為經濟型，標準型和增強型。支持PAL—D/K，NTSC兩種制式，不但可用于計算機播放VCD . DVD，還有可外接VCD 機. DVD機 . 錄象機信號的視頻接口，并有電視接收功能和CATV增補頻道功能。同時兩側還配有“多夢”立體聲音箱。黃河集團則推出21英寸多媒體電視。特別適合家庭應用，可收看電視 . VCD . DVD，按標準計算機接口顯示計算機信息，并為數字化電視節目接收留有接口。另外，福建廈華也推出了29英寸多媒體彩顯。
隨著圖象顯示技術的發展，計算機的CRT與家用電器中的TV SET 最終會成為一個東西，到那時，人們不知道會給它一個什么名字。
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