1.2.1　视频信号的采集和显示

摄像机是视频信号的最主要来源之一。随着数字化的进程，数字摄像机已经成为主流的视频信号来源，它输出的是数字视频信号或压缩的数字视频信号，当然同时也可以输出模拟视频信号。数字摄像机和模拟摄像机的光学镜头和感光器件部分基本是一样的，两者的区别在于光电转换后续处理电路的不同。经过几十年的发展和竞争，视频信号的显示器件目前主要是液晶显示器。

（1）摄像机

①模拟摄像机

早期的光导管模拟摄像机已遭淘汰，现在常用的是电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）和互补氧化金属半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor）摄像机。

CCD摄像机内的核心部件是一个固态半导体面阵集成电路，即CCD感光芯片，它由若干行、若干列的离散感光单元排列而成传感阵列。摄像机所对准场景的光线通过镜头聚焦投射到阵列上，每个感光单元由于光照的作用而产生与输入光强成正比的输出电荷。这些电荷通过适当的逻辑电路，按照逐单元、逐行的顺序，在一帧的时间内将整个阵列所有单元的电压送出，经AD变换、信号处理和DA变换后形成标准的模拟视频信号输出。

CMOS摄像机的传感器的工作过程和CCD类似，但集成度比较高，处理过程比较简单，信号输出类似于半导体存储器的读出，采集速度可以达每秒数百帧，功耗也比较小，耗电量大约为同类CCD的。CMOS的不足之处在于传感噪声比CCD高，但这一差距正在逐步缩小。今天的便携式摄像设备和某些高档摄像机几乎都使用CMOS传感器。

实际上，不论CCD或CMOS本身都没有参与图像感应（光电转换），它们使用的是同一种传感器“感光基元”，它是一个半导体PN节，能够将光线的强弱转换为电压的高低，光线进入半导体传感器的越多，产生的电子也越多，从传感器输出的电压也越高。而CCD和CMOS的主要作用是将图像半导体中出来的电信号快速地存储、传输到信号处理部分。

感光平面阵列中每一行基元数（像素数）的多少和行数的多少决定所摄图像清晰度的高低。常用的CCD、CMOS摄像机的像素数在40~800万，如1080p视频（1920×1080）的像素数约为200万。

②数字摄像机

数字视频信号有两种获得途径，一种是直接的方式，另一种是间接的方式。间接方式是指将模拟视频信号数字化后产生数字视频。近来，随着电子领域数字化的进程，越来越多直接输出数字视频信号的数字摄像机已成主流。这样的摄像机可以直接和计算机、数字图像设备相连接，而不需要经过A/D转换。

在数字摄像机和模拟摄像机的构成中，感光部分基本相同，不同的是数字摄像机的数字化信号处理部分。数字摄像机对经过CCD（或CMOS）光电转换得到的视频信号进行数字化，获得的数字视频信号输出，再经过数字信号处理、数据压缩，最终输出已压缩的数字视频信号。在这个意义上可以将数字摄像机称为“数字处理摄像机”。

③网络摄像机

现在还有一类以“网络摄像机”为代表的数字摄像机，它把数字视频信号的现场采集、压缩编码、传输协议，甚至无线收发信等部分也一并做在摄像机内部，直接输出给用户的就是经过压缩和封装的视频数据流，如符合TCP/IP的数据流，或是已调制的无线发射信号。而且压缩的标准可以有多种选择和设置，例如，既可以是H.26x，也可以是MPEG-x。在前几年，大部分这样的摄像机还只是标准清晰度视频的分辨率，现在高清晰度视频的网络摄像机已经普及，超高清晰度视频的网络摄像机也已开始开发和使用。

④高速接口

现在大多数字摄像机都具备符合IEEE 1394接口、HDMI接口和SDI接口规范的输出。IEEE 1394是苹果公司开发的串行接口标准，俗称“火线”（Fire Wire）接口，外形有点类似USB接口，支持热插拔，最高支持800 Mbit/s的速率，今后有望提高到1.6 Gbit/s。高清多媒体接口（HDMI，High Definition Multimedia Interface）是由多家世界知名业内公司共同开发的，包括数字视频、音频数据，最高传输速率达4.5 GB/s。串行数字接口（SDI，Serial Digital Interface）是普遍用于演播室视频传输的接口，第11章将专门介绍。

（2）视频信号的显示

目前，常见视频信号的显示设备基本上都是液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）或发光二极管（LED，Light Emitting Diode）显示器，如电视机的荧光屏、计算机的显示器、大屏幕投影显示器等。曾经普遍使用的阴极射线管（CRT，Cathode Ray Tube）显示器由于大体积、高功耗、有辐射、分辨率难提高等原因，现在已难觅其踪影。10多年前和液晶显示器竞争的等离子显示器（PDP，Plasma Display Panel）也因为高功耗和低分辨率而渐渐消失。

①液晶显示器

液晶显示器中的液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。在显示应用领域，液晶由于其各向异性而具有电光效应，所以能够制成不同类型的显示器件。例如，最基本的TN（Twist Nematic）型液晶显示，首先将涂有透明导电层的两片玻璃基板间加上一层正介电各向异性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转90°；然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，就构成TN型液晶显示器的主体。液晶层施加电压，达到一定电压值，对行和列进行选择，出现“显示”现象，所以行列数越多，显示分辨率越高。

在TN基础上改进形成的实用薄膜晶体管（TFT，Thin Film Transistor）有源矩阵液晶显示器件，在每个像素点上设计一个场效应开关管，这样就形成了真彩色、高分辨率液晶显示器件，可实现从VGA（640×480）到HDTV（1920×1080），甚至更高分辨率的显示。LCD体积小、重量轻、低电压、功耗小、无软X射线，适合绝大部分应用场合。

②LED显示器

发光二极管显示器是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，显示文字、图形、图像、视频等多种信息的显示屏幕。最初，LED只是作为微型指示灯，在计算机、音响仪表等设备中使用。近年来，随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步，平板LED显示器得到迅速发展和广泛应用。

LCD与LED是两种不同的显示技术，但它们主要用于显示的部件都是液晶面板，不同之处只在于两者的背光方式。LCD的液晶面板本身并不发光，它只是控制透过它的透射光强度，因此，LCD的后面都必须有一块称为“背板”的发光源，背板的性能直接影响液晶显示的效果。目前，绝大部分的LED显示屏并不是用发光二极管替代液晶，而是用发光二极管背板替代LCD中原来的冷阴极荧光灯背光板，既可节能又可降低显示器的厚度。这样的LED显示屏虽然不是真正由发光二极管独自显示图像，但与上述的LCD显示器相比，LED显示屏色彩鲜艳、亮度高、寿命长、体积小，功耗只有LCD的几分之一，刷新速率高，能提供宽达160°的视角，在视频显示方面有更好的性能表现，已成为具有绝对优势的新一代显示器，正广泛应用于不同的场合。图1.5（a）为一普通的、适合高清视频播放的大屏幕LED显示器外观。

近来，出现了更先进的有机LED（OLED，Organic LED）显示屏，它是自发光，不需要背光源，发光效率高；低电压驱动，超过170°的广视角。OLED像元的响应速度是LCD液晶屏的1 000倍，达微秒级，在强光下也具有足够的亮度，并且适应零下40°的低温。此外，近几年还出现了弯曲的LED显示屏、可折叠的手机显示屏，如图1.5（b）和图1.5（c）所示。

图1.5　LED显示屏外观