2. 视频图像数据格式与接口基础
在Zynq视频系统中，FPGA逻辑、VDMA、视频处理IP以及显示控制器之间传递的并不是“图像”这个抽象概念，而是一串按特定顺序排列的像素数据。理解这些数据的组织方式，是后续做色彩空间转换、缩放、帧缓存和接口时序设计的前提。本节围绕四个核心问题展开：颜色如何用数字表示、色度如何被压缩、不同标准下数值如何解释、以及像素如何被时钟和同步信号“搬运”。
一、RGB与YUV：两种描述颜色的方式
RGB是最直观的颜色表示：每个像素由红、绿、蓝三个分量组成，显示器最终也是靠这三种基色发光。在Zynq常见的视频通路中，RGB常用24位表示，即R、G、B各8位，取值范围0～255。例如纯红为(255,0,0)，白色为(255,255,255)。RGB的优点是直观、便于显示，缺点是三个分量高度相关，直接压缩时冗余大。
YUV则把亮度与色度分离。Y表示亮度，U、V（在BT.601/BT.709中常记作Cb、Cr）表示色差。人眼对亮度细节敏感、对色度细节不敏感，因此可以保留完整的Y而降低色度分辨率，从而在几乎不损失主观画质的前提下减少数据量。RGB到YUV的转换本质是线性矩阵运算，以BT.601的8位数字形式为例：
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = -0.169R - 0.331G + 0.500B + 128
Cr = 0.500R - 0.419G - 0.081B + 128注意Cb、Cr加了128的偏置，使无彩色时色度值落在128附近，避免出现负数。反向转换时先减去128再乘逆矩阵。在FPGA中，这类系数通常被定点化为整数，例如放大256倍后用移位实现，以节省DSP资源。
二、4:4:4、4:2:2、4:2:0采样
采样格式描述的是色度分量相对于亮度分量的取样密度。4:4:4表示每个像素都有独立的Y、Cb、Cr，信息最完整，常用于图形、文字和高质量后期处理。4:2:2表示水平方向每两个像素共享一组Cb、Cr，即色度水平方向减半，数据量降为原来的2/3，是SDI、BT.656等视频接口的常见格式。4:2:0则水平、垂直方向都减半，每四个像素共享一组色度，数据量约为4:4:4的一半，广泛用于H.264/H.265编码和JPEG。
以一行8个像素为例，4:4:4需要8组Y、8组Cb、8组Cr；4:2:2只需8组Y、4组Cb、4组Cr；4:2:0在相邻两行之间再共享，两行共16个Y、4组Cb、4组Cr。在Zynq中，如果视频源是4:2:0而显示通路要求4:4:4，就需要做色度上采样，通常采用插值恢复缺失的色度样本，这一步会引入轻微模糊，因此处理顺序上应尽量在编码前保持高采样格式。
三、BT.601与BT.709：数值范围与系数差异
YUV数值并不是“随便定”的，标准规定了转换系数和取值范围。BT.601面向标清，BT.709面向高清，两者亮度系数不同：BT.601的Y系数为0.299/0.587/0.114，BT.709为0.2126/0.7152/0.0722。如果高清素材误用BT.601矩阵，肤色会偏黄或偏红，这是工程中常见的“颜色不对”问题之一。
另一个关键点是量化范围。视频通常采用“有限范围”（limited range）：8位下Y为16～235，Cb/Cr为16～240，16对应黑、235对应白。而计算机图形常用“全范围”（full range）：0～255。若把有限范围视频直接当全范围显示，画面会发灰、对比度不足；反之则会过曝、暗部被压死。在Zynq的Video Timing Controller和色彩空间转换IP中，通常需要显式配置范围与标准，例如通过AXI4-Lite寄存器选择BT.709和有限范围。
四、像素时钟与同步信号
视频接口的“搬运”依赖三类信号：像素时钟（Pixel Clock）、行/场同步（HSYNC/VSYNC）和数据有效（DE，Data Enable）。像素时钟每来一个上升沿，接口就采样一个像素。以1280×720@60Hz为例，有效像素为1280×720，但实际一行还要加上前肩、同步脉冲和后肩，一帧还要加上垂直消隐，因此像素时钟约为74.25MHz，而不是1280×720×60≈55.3MHz。这个差别正是消隐区带来的。
HSYNC指示一行开始，VSYNC指示一帧开始，DE为高时数据总线上的像素才有效。在FPGA中，通常用计数器生成这些时序：水平计数器从0计到H_TOTAL-1，在特定区间拉高HSYNC、在有效区间拉高DE；垂直计数器同理。Zynq的VDMA和视频IP通过AXI4-Stream传递数据，其中TUSER常用来标记帧起始（SOF），TLAST标记行结束（EOL），与并行接口的HSYNC/VSYNC形成对应关系。
五、常用视频接口标准
在Zynq工程中，常见的接口包括：BT.656，8/10位并行或内嵌同步，常用于标清；BT.1120，高清并行接口，16位Y/Cb/Cr复用；DVI/HDMI，TMDS差分传输，HDMI还带音频和辅助数据；DisplayPort，微包结构，适合高分辨率；MIPI CSI-2，常用于摄像头，差分对加包协议；SDI，广播级串行接口。选择接口时，要同时考虑分辨率、帧率、色深、线缆长度和是否需要音频，再决定用FPGA的SelectIO、GTP/GTX收发器还是专用视频IP。