[VGA显示与TV显示的区别及转换]VGA转换器

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VGA显示与TV显示的区别及转换

由于芯片技术的飞速发展，所有的愿望都正在或即将变为现实，计算机与电视机 的界限也越来越模糊。现在，计算机显示用的是VGA格式，而电视机显示用的 是TV格式，如何实现两种完全不同的扫描方式之间的转换，就是本文将要讨论 的问题。

1 计算机图象格式 首先让我们回顾一下计算机图象格式的发展历史。从单色到彩色到真彩色， 计算机图象格式由早期的MacPaint GEM/IMG PCX 等格式，到后来继续出现的GIF TIFF BMP TGA和JPEG等格 式，它一直是计算机界发展较快的一个领域。

MacPaint格式最早来自APPLE公司的Macintosh ，是一种位映 射式图像文件格式（即在单色图像中，计算机图像缓存中的每一个 bit映射到屏幕上的一个像点）。这种格式表示的图象尺寸固定，均 为576像点（宽）* 720像点（长）。在这种格式中，实际的图像数据只占 据文件的很小一部份，位于表头及图样数据之后， 以及其简 单的格式压缩。一幅MacPaint图象的原始数据可能会占用超过50KB的内 存空间或磁盘空间。而实际上包含一个MacPaint图象的磁盘文件很少有这么大。

若一幅图象的某一行全是白色，则该行只要用两个byte就可以描述，而不必象它 的未压缩形式那样存储在72个byte中。第一个byte称为索引，在此时为72，第二 个byte为“数据”。解码时将其重复72次就可以形成未压缩形式的对应扫描行。

MacPaint 文件的引人之处在于它们的数量非常多。无数令人感兴趣的图像均以 MacPaint格式存储在公用区域中，且没有版权保护。这种格式的缺点是固定的图 像尺寸和超长的表头。GEM/IMG图像文件格式是基于MacPaint格式有效的图像压缩 方法. 易于解码的格式等优点，由Digital Research公司创建的与MacPaint 格式相比它适用于任何尺寸的图像。一般应用于Digital Research 应用程序和 Ventura Publisher排版软件。IMG文件的表头只有16byte。

PCX格式是由ZSoft公司为它的PC Paint brush图形软件创建的。通常用于 与IBM PC兼客的计算机 ，与PC Paint brush图形软件一起使用。它是计算机图像 技术中第一个支持彩色图像的文件格式。它引入了调色板的概念。目前大多数PC 软件支持PCX格式的版本5，可以自行定义颜色面板。它一直是非WINDOWS （DOS）位图图像的事实上的标准, 并且大多数图形程序都提供从它们自己的图 像格式到PCX格式的转换方法。它不只是一种单独的格式，它包括诸如8位，16 位和24位彩色格式，以及真灰度格式和单色格式等一系列图像格式。所有PCX文 件均携带一个128 byte的表头，用于定义图像的尺寸，彩色调色板及其它一些有 关的图像数据。

GIF是“Graphics Interchange Format”图形交换格式的首字母缩写，是目前 最流行的通用图象格式之一。由CompuSever公司推出，它是一种压缩文件格式， 因为它能最大限度地减少文件转换时间，所以常用于从简报. 磁盘库. 光盘中得 到图象。GIF在创建时已充 分考虑了视频硬件的显示尺寸将会不断扩展，它对使用者完全开放，并予 留了许多可用于扩展的“中断口”。由一个256色GIF图象文件创建的彩色图片看上 去非常逼真。与在电视屏幕上看到的正常模拟图象几乎没有差别。GIF格式采用 可变长度LZW压缩方法，该压缩技术的关键是“标记”，即用某种“标记”表示其可 预测部分。LZW压缩技术与其它压缩技术的区别点在于它能够动态产生“标记”。

虽然编码和解码相对复杂一些，但LZW压缩比 . BMP和 . PCX图象采用的游程 长度编码压缩RLE有一个重要的优点：压缩率高。

TIFF是目前流行的图象格式中最复杂的，它们可以支持各种尺寸的高达24 位彩色的图像。其最大特点是可移植性，很容易在各种不同结构的机器之间移植 而无需过多的变动，常用于应用程序与计算机平台之间的文件交换。它不依附于 某种专用软件，因此各种各样的应用程序都可以支持它们。TIFF格式也采用LZW 压缩方法。TIFF格式为不同的图象提供优化的子格式：
l B类TIFF文件是由编码成每个像素一位的黑白图象构成。l G类TIFF用于每个像素4位或8位（16或256级灰度）组成的 灰度图象。

l P类TIFF文件用每个像素1到8位支持彩色调色板。

l R类TIFF用于每个像素24位的图象。

l F类TIFF文件用于传真图象。

BMP格式是一种运行于WINDOWS下的标准的位图图象文件格 式。目前被各种基于WINDOWS系列操作系统的用户广泛使用。当用户对 一幅图象进行存储时，计算机的默认格式就是.BMP。

TGA格式是由Truevision公司为视频摄象机图象而设计，用于帧捕捉的最 主要的24位图象格式，其典型的图象尺寸为400*512个像素，每像素16 . 24或32 位彩色。

JPEG格式一般用来显示照片和WWW以及在线服务的HTML（超文本标记 语言）文件，它能保存RGB图象中的所有颜色信息。JPEG也是一种带压缩的文 件格式，但在压缩时文件有信息损失。

2 计算机视频显示卡 10年前，当人们对微机还很新奇的时候，IBM公司率先推出了 CGA（彩色图形适配器）视频显示卡。这种最初的卡能支持最大分 辨率640*200个像素的图形，它的分辨率和彩色是非常有限的后来 又推出了具有640*350个像素分辨率的EGA（增强型图形适配器） 视频显示卡，在这种EGA卡中，有4个分页的显示缓冲区，每一页对应一 种颜色平面。接着又发展到了640*480个像素分辨率的VGA以及扩展VGA模式 SVGA视频显示卡，它具有1024*768个像素显示。

各种显示卡的功能大体相同，它们均可被称为“内存映射设备”。对于计算机来说，它们都是可寻址的内存。它与程序内存的差别在于显示 内存含有某些额外的硬件配件，这些配件的功能是监视内存的工作，并促使内存 的内容代表的数据在显示屏幕上得以显示。这些数据的实质随着显示卡当时所处 的工作模式而变化，若显示卡处于字符模式，则这个硬件配件监视大约4K的显 示内存，并把这里的字符送到屏幕上去显示。如果显示卡处于图形模式，它则注 视更大范围的内存空间，并要把它发现的数据作为位映射图形来解释。显示卡上 显示缓冲区中的数据发生改变时，将引起时刻监视它的硬件配件改变屏幕的显示。

对于高分辨率显示，至关重要的是要有足够大的显示内存。一般支持640*480分 辨率，256色的VGA卡需配512KB内存；
而支持1024*768分辨率，256色的VGA 卡则要求1MB的容量。

视频显示卡需要提供一种机制，来表示红. 绿. 蓝三种彩色光线 ——阴极射线管的三种基本荧光彩色的百分比。构成此机制的一种明显的 方法，可以简单的由三个byte（或三个寄存器）来构成每一个像点，每个byte（或 寄存器）可分别代表一种基色的百分比。但这样处理占据了大量的存储空间，并 需要使用功能强大的计算机系统支持。

在调色板驱动的显示卡中，设计者让每个像点并不直接确定它所代表的图 象那一点的颜色，即在该点上，像点不能规定红. 绿. 蓝三色光的百分比。相反 它告诉显示卡，在当前的调色板中应使用哪个表项来确定要求的彩色成分。调色 板仅仅是一个搜索表，在此表中，每个表项都由三个数字所组成。通常情况下， 显示卡在同一时刻能够显示不同彩色的数量是很小的。调色板驱动的显示卡通常 能从一个很大数量的颜色范围中挑选出某些颜色进行显示。如EGA卡可以从64 种颜色中选择16种进行显示，VGA卡则能从大约25万种颜色中选择256种进行显 示。

显示卡一次能够显示的不同彩色数，是其调色板规格的一种函数，即调色 板内表项的数目。此数目对于EGA卡是16，对于VGA卡则是256。从大量的彩色 数中所选出的能够用于显示的彩色数目是一个控制等级的因子。这种控制是显示 卡通过它所连接的显像管的三色枪的光强度来实现。在EGA卡的情况下，每支枪 都能设置成四种光强度电位之一。因为有三支枪，所以总的彩色数目为4的三次 幂即64。

在VGA卡的设计中，使用一种模拟监视器。这种监视器没有专门的光强 度级差。对每支枪的控制是通过一个模拟电压来实现的。该模拟电压是由连接至监视器的VGA卡中的一个六位数模转换器产生的。数模转换器根据输入的二进 制数产生一个与输入相对应的 模拟电压信号。6位二进制数可以产生64个分离的数值（2的6次幂），所 以VGA卡可以为显像管的三支彩色枪的每一支定义出64个亮度级别。总共可以 产生64的3次幂，即262141种彩色。显然以这种彩色成分的精细控制，VGA卡能 够产生非常细微的彩色差别。它能以足够的彩色控制来模拟实际情况中的闪光色 调 . 阴影的细节，以及自然光线产生的彩色差别。在实际应用中，对一幅彩色 照片进行的数字化处理，很少需要超过256种不同的彩色。

3 VGA显示的特点及与TV显示的区别 VGA是视频图形阵列（Video Graphice Array）的缩写，它是1987年IBM公 司为PC机的显示系统制定的标准。

VGA的显示特点是扫描格式繁多，分辨率从320*200一直延伸到 1280*1024，行频15.8~70Hz, 场频50~100Hz。常见的分辨率有320*200，640*400， 640*480，720*350，800*600，1024*768，1280*1024。常见行频有31.4Hz，37.8Hz， 57.9Hz，62.5Hz等，常见场频有50Hz，60Hz，70Hz，100Hz等。扫描方式有逐行 和隔行，绝大部分是逐行。显示模式有文本和图形之分。显示颜色有16，256， 32K，64K，16700K种颜色之分。

相比之下，电视扫描只有625行/50 Hz 和525行/60 Hz两种行场频方式，而 且全部为隔行扫描方式。

4 VGA到TV的转换原理 在专业电视设备中，用数字制式转换器在625行/50 Hz 和525行/60 Hz两种 扫描方式之间进行转换。基本原理是通过帧存储器，用一种制式的时序写帧存， 而用另一种制式的时序读帧存，并用增减行场的方法调整扫描频率。如从525行 /60 Hz转换到625行/50 Hz ，每帧增添100行，每秒减少10场。增减行场会引起运 动图象不连续，还必需用内插算法进行平滑。

VGA到TV的转换也用同样的原理，即重新设置VGA图形加速器IC中的显 示控制寄存器，可把任意显示模式改写成电视扫描方式，但是需要重新编写BIOS 程序，实现起来并不容易。要把全部的VGA模式转换成TV格式，还需设计复杂 的识别和切换电路，造价很高。VGA几乎全部采用逐行扫描，电脑屏幕上的一条水平单线转换到隔行扫 描的电视屏幕上，就会仅出现在单场中，引起明显的闪烁现象。同样，闪烁也会 发生在单个像素上。因而必需采取抗闪烁措施。一般的转换芯片中的抗闪烁电路 有三行内插滤波器和两行内插滤波器之分，也可以旁路这些滤波器，对应着抗闪 烁方式的高 . 中.无三种。场内插滤波器效果会更好，但成本高。

小于电视分辨率720*576的VGA模式，转换为电视格式后会不满屏，而大 于电视分辨率的VGA模式会溢出屏幕。因而还要进行补点和增点采样，这点与 画中画（PIP）和电视墙所采用的技术相同。

VGA模式的象素是正方形，而CCIR 601电视标准象素是长方形，VGA图 形直接转换成电视图形后会产生几何畸变。在计算机上画一个圆，转换到电视上 就变成一个垂直方向伸长的椭圆。因而还需进行几何畸变校正，也称反走样。

另外，VGA模式多数为伪彩色，灰度值不进行r校正。而电视显示全部是 真彩色，并经过r校正，转换后的颜色和灰度会有差别，要求较高时也需进行处 理。

图1给出了一种单片VGA显示到TV显示转换器的内部功能框。这种单片转 换器无须外接存储器和微处理器，就能把多种VGA模式转换成NTSC和PAL制电 视模式。具有良好的抗闪烁和反走样能力。输入的是标准的VGA R G B和同步信 号，输出的是电视标准的NTSC/PAL复合电视信号和S—Video半分量信号。

标准的VGA R G B信号分别经过三个8位的A/D转换器变换成数字信号， 在视频处理器中完成制式转换，抗闪烁，反走样和数字视频编码。三个9位分辨 率的D/A把数字复合视频和S—Video变换成模拟信号。R G B的采样时钟和存储 器的写时钟都由行同步产生。时序电路中的第一个锁相环可产生与VGA图形同 步的采样时钟，时序电路中的另一个锁相环以27MHz的石英晶体为基准，产生存 储器读时钟 . 视频编码器和D/A时钟。内部静态存储器（800*8*5bit）的大小决 定了该转换器只能对常用的文本格式 . 分辨率为640*480，800*600；
行频 31.25KHz，31.469 KHz；
帧频50Hz，59.94Hz，60Hz或以上行帧频整数倍的图形 模式转换成TV格式。这些模式已包含了大部分DOS和Windows下的应用软件。

其他的VGA显示到TV显示的转换器还有CIRRUS LOGIC公司推出的 CL-GD 5425图形加速器，可以在ISA和VESA VL-BUS两种总线下工作，外挂2MB存储器，能把320*200，640*350，640*400，640*480分辨率下的17种VGA模式 转换为电视制式。另外，Trident公司的TVG 9470能支持32位的PCI总线和4MB DRAM，把分辨率扩展到800*600真彩色模式。1996年Trident公司推出的Pro Vidia 9685 是目前市场上功能较强的转换芯片，它支持64位PCI总线，把2D/3D绘图和 图形加速器集成一体，能运行MMX指令编程的软件。在图形用户界面上可开两 个窗口显示活动图象，片内优良的抗闪烁和抗锯齿电路，使转换后的电视图象质 量能达到专业级水平。

5 TV到VGA的显示 由于VGA显示器和电视机都是利用扫描光栅以及阴极射线管（CRT）来实 现的显示设备，所以在显示的基本原理上两者是十分近似的，所不同的是VGA 显示器比较强调电性能，如行场线性，分辨率，视频放大的带宽，图象的稳定度 等各方面指标均优于电视机，其扫描部分由于要兼容范围宽达31.4KHz—62.5 KHz行频，50 Hz —100 Hz场频的显示模式，因而这部分电路比电视机复杂，但电视机小信 号处理方面环节较多，功能较VGA显示器复杂。因此，TV到VGA的转换，只需 在VGA的基础上，加入电视信号处理电路，用电性能指标高的VGA显示器兼容 电视部分即可。首先要解决两个行频相差很大的系统实现协调工作。用一单片机 控制系统完成VGA显示和TV状态的切换及因此而带来的一系列参数控制，诸如 高压包供电电压切换，行S校正电容的切换，行幅与场幅的切换等。其次完成将 TV信号转换成VGA显示器所需的RGB和行场同步信号格式。也就是从RF电视信 号输入开始，中间加入AV切换，多种彩色电视制式的兼容，伴音处理，以及产 生VGA显示器视频放大所需的RGB信号格式，和供行场扫描用的行同步与 场同 步信号。

TV到VGA的转换，除了可用于在计算机上实时收看电视节目之外，还可 以用于对电视信号的实时捕捉，以使用各种图形图象软件进行处理。

对PAL制全电视信号的实时捕捉，实际上就是复合视频信号的数字化传输 和记录。根据PCM编码原理，设采样频率为4Fsc，码速率为 R=4Fsc*n =4*4.33361875MHz*8bit =142M bit/s式中Fsc为副载波频率，n为量化比特数。可见经数字化的PAL全电视信号， 传输速率为142Mb/ s，折合到频带需70~140 MHz的带宽，是模拟信道的12~24倍。

这样高的码速率，在目前最快的Pentium-200上，用PCI总线传输和用9GB硬盘记 录，也只能存储8分钟的视频数据，显然无论在技术上还是在经济上都是不可取 的。因而，必需采用压缩技术对视频信号进行处理。目前主要有MPEG-1，MPEG-2 和M-JPEG等几种压缩和解压缩标准。其目的只有一个，减少数码率。

除了数码率以外，还有两点必须考虑：一是选择合适的采样频率，二是选 择满足需要的量化层数。

对于采样频率，应从采样定理，减少副载波干扰和合理的样点空间结构三 方面考虑，根据香农采样定理和综合前后置滤波器的易于实现，采样频率应不低 于视频基带中最高频率的2.2倍，视频基带一般为0~6 MHz，则采样频率应大于 13.2 MHz。副载波频率及边带位于亮度信号高端，且能量较大，量化过程中会产 生谐波，某些谐波会通过采样折叠到基带中，与基带亮度和色度产生差拍干扰。

如果充分利用色度信号的频谱间置特点，使采样频率与副载波相关，折叠到基带 中的副载波谐波就落在亮度频谱间隙中，与色度信号频谱重合产生零拍，而零拍 干扰人眼不易觉察到。既满足采样定理，又与副载波采样频率相关。在PAL制中， 只有3 Fsc和4 Fsc易于实现，而当采样频率为4 Fsc，与行频关系近似为fs=(4n-1)fH， 一行中近似包含整数个样点，因此一场中相邻行的样点是近似对准的，设场存储 器为313行，一场的样点为 Nfieid=行数*fS/fH =313*fsc/ fH =313*4（n-1/4+1/625） 1252 n-311 所以奇偶场的样点也是近似对准的，一帧的样点为 Nframe=625*4*( n-1/4+1/625) =2500 n-621 所以帧间的样点是重合的，可见用4 Fsc采样时，将得到正交的空间取样 结构，这给数据处理带来了方便，图象质量也很好，电路简单，在时基校正和帧同步系统中应用较多。

关于量化层数主要是根据信躁比确定，视频信号与音频信号相比，图象的 动态范围不大，而且是单极性信号，这种信号的量化信躁比为S/N=10.8+6 n（dB）， 式中n为量化比特数，当n=8时，S/N=58.8 dB。然而，在系统中，同一视频信号 经多种设备反复进行量化处理，这时噪声就会按10lg n(dB)上升，当反复处理4次 时，信噪比降低了一倍，相当于量化比特数少了1比特。因而在反复进行数字处 理的系统中，要根据实际情况增加量化比特。当前，专业数字视频设备中最常见 的是8~10比特量化，HD-End的顶级设备中用12比特量化。

要实现计算机对电视信号的实时捕捉，一般系统需包括多制式解码器，视 频图形加速器和存储器。整个捕捉系统与一台Pentium-100以上的微机的PCI总线 相接。多制式解码器用于将外部输入的一路NTSC ，PAL或SECAM制式的复合 电视信号，经A/D转换，Y/C分离，产生视频采样时钟，进行数字视频解调。完 成彩色空间转换和双窗口X/Y定标，输出接口能直接与图形加速器相连接。图2 给出了一个多制式专业视频解码器的内部功能结构。

视频图形加速器包含视频捕捉，XY线性内插，双频合成，24 比特真彩色RAM D/A变换，具有PCI，VESA-VL总线接口，最高分辨率为 1280*1024。图3给出了一图形加速器功能框图。

以北京新奥特公司生产的非线形编辑系统为例，该系统采用了Matrox 公 司的Digisuit套件中的Mlarvel Millennium高速X.Y定标显示卡，支持8MB DRAM， 能实时采集视频图像并进行MPEG压缩后与GUI叠显，实现了VGA图像与TV图像 同屏显示，TV窗口的大小和位置均可改变。

5 应用及市场前景 随着信息产业的飞速发展和PC的迅速普及，传统的家电产业正与计算机 信息产业互相渗透和融合。家庭越来越需要一种既能观看普通电视节目，又能显 示各类计算机信息的兼容显示终端，并能满足多媒体发展的要求，从而使每个家 庭的电视和微机能组合在一起，形成一个信息交流和娱乐的中心。

早期的市场这类产品主要是在计算机扩展槽上加装TV卡或在计算机外部 加装机顶盒，TV卡占用计算机资源，收看电视节目时不能再同时处理微机信息；

机顶盒虽然可离开微机单独工作，操作简单，但它也只能收看一种电视制式节目，且成本较高。

随着WIN95. WIN98的风行和互联网的逐渐深入人心，人们对显示器的追 求也日趋高档化。这也推动了显示器技术的发展并使市场的竞争日趋激烈，如今 无论是计算机的显示器还是电视机的屏幕，尺寸都越来越大，显像管的工艺和性 能也大大提高，例如SONY的显像管单枪三束的电子枪，就采用了直角柱面设计， 近年来通过逐步完善其屏幕防静电，防反射，镀膜处理等特性能够充分改善视觉 效果，给人一种很舒适的感觉。三菱的钻石屏还在柱面管的基础上增加了四倍速 动态聚焦技术，使显像管的四个边角区域的显示效果与中间区域的显示效果趋于 一致，在整个画面上达到均衡的显象清晰度。所有这一切均昭示着一个巨大的市 场。这也就是为什么目前国内众多的家电厂商纷纷进军计算机多媒体大屏幕彩显 的原因。

资料显示有：西湖电子集团成功研制出25英寸和29英寸大屏幕多媒体彩显。

该彩显配置一台电视接收转换器，即可接收广播电视节目，又可接DVD。长安 集团开发的“长信”牌显示电视监视三合一大屏幕多媒体彩显。有21 . 25 . 29 英寸 三种屏幕，分为经济型，标准型和增强型。支持PAL—D/K，NTSC两种制式， 不但可用于计算机播放VCD . DVD，还有可外接VCD 机. DVD机 . 录象机信号 的视频接口，并有电视接收功能和CATV增补频道功能。同时两侧还配有“多梦” 立体声音箱。黄河集团则推出21英寸多媒体电视。特别适合家庭应用，可收看电 视 . VCD . DVD，按标准计算机接口显示计算机信息，并为数字化电视节目接收 留有接口。另外，福建厦华也推出了29英寸多媒体彩显。

随着图象显示技术的发展，计算机的CRT与家用电器中的TV SET 最终会 成为一个东西，到那时，人们不知道会给它一个什么名字。