視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA）是一種使用模擬信號進行視頻傳輸的標準協議，它最初由IBM于1987年推出，盡管現已過時，但仍然是最多制造商所共同支持的一個標準，個人電腦在加載自己的獨特驅動程序之前，都必須支持VGA的標準。
VGA接口通過15個針腳的D-sub連接器將圖像信號從計算機圖形卡傳輸到顯示器，它支持多種分辨率和色彩模式，具有廣泛的兼容性和可擴展性。VGA標準最常見的分辨率是640×480像素，這也是VGA的工業(yè)標準，但它也支持其他分辨率，如SXGA（1280×1024）、WXGA（1280×768）等顯示標準。
這些分辨率是通過水平同步信號、垂直同步信號和時鐘頻率來定義的，遵循VGA時序標準。VGA支持多種色彩模式，包括4位色、8位偽彩色、16位高彩色和24位真彩色等，這些色彩模式決定了每個像素可以表示的顏色數量和精度，影響圖像的色彩深度和質量。
盡管VGA標準已經存在了幾十年，但它仍然被廣泛應用于一些老舊的計算機系統(tǒng)和顯示設備。然而隨著顯示技術的進步，數字接口標準（如HDMI、DisplayPort）逐漸取代了VGA，它們可以提供更高的分辨率、更好的圖像質量和更方便的連接方式。
發(fā)展歷程
起源
視頻圖形陣列（VGA）是國際商用機器公司（International Business Machines Corporation，IBM）在1987年隨personal computer系統(tǒng)PS/2機型一起推出的一種視頻傳輸標準，是一種使用模擬信號進行視頻傳輸的標準協議。VGA標準兼容了MDA標準，CGA標準和EGA標準的全部功能，此外還增加了一些新的視頻顯示功能，包括640×480的2色顯示（方式11H）、640×480的16色顯示（方式12H）和320×200的256色顯示（方式13H）。
改進創(chuàng)新
在現代視頻技術中，VGA標準曾是基準，但在其推出之前，某些非IBM公司推出的第三代產品比VGA標準的性能更好，迫使IBM改進VGA的基本性能，這導致了VESA標準（Super VGA標準）的誕生。隨著PC機視頻功能的不斷擴大，Super VGA標準也在不斷發(fā)展，比1989年最初提出時有很大擴展，超越了原始VGA標準，成為PC視頻的主要標準，但本質上Super VGA標準仍然是一種擴展的VGA標準。在VGA發(fā)展到增強型VGA時，IBM還為PS/2機設計了XGA和8514視頻模式，其中8514是VGA的附屬標準，后來進入非IBM市場，為PC機所使用。
標準化
隨著CPU處理器性能的提升，后來推出了SXGA（1280×1024）、WXGA（1280×768）、WSXGA（1600×1024）、WUXGA（1920×1200）、WQXGA（2560×1600）等顯示標準。雖然不同類型的顯示器工作原理以及顯示方式可能不一樣，但是它們的控制方式和控制信號結構是相似的，面對眾多的顯示標準，VESA發(fā)布了統(tǒng)一的VGA時序參考標準。
分辨率為640×480是VGA的工業(yè)標準，雖然各種分辨率有不同名稱，但通常都把它們歸為"VGA模式"。這些不同分辨率的視頻信號均可以通過VGA接口傳輸，因此VGA接口是一種通用視頻接口。VGA由于具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在顯示技術領域得到了廣泛的應用。
現狀
VGA接口體積較大，不利于便攜設備的集成，且傳輸的模擬信號易受外界干擾，產生信號畸變，為了解決 VGA 接口的諸多問題，視頻接口標準開始了一次革新，在VGA接口之后，首先推出的是數字視頻接口標準（Digital Visual 接口，DVI）。1999年，數字顯示工作組（Digital Display Working Group，DDWG）發(fā)布了DVI 1.0規(guī)范。但由于DVI存在種種缺陷，已經不能更好地滿足整個行業(yè)的發(fā)展需要，促使了高清多媒體接口標準（High Definition Multimedia Interface，HDMI）的誕生。
日立制作所、松下電器等7家公司共同組建的HDMI組織于2002年12月9日正式發(fā)布了HDMI標準 1.0版，HDMI接口具有體積小、帶寬高、兼容性好等特點。在其之后，又出現一種功能更強、帶寬更大的新型接口——顯示接口（DisplayPort，DP），2006年5月，視頻電子標準組織（VESA）正式發(fā)布了 DisplayPort 1.0標準，這是一種針對所有顯示設備開放標準，具有高帶寬、高度可擴展性、內容保護技術更可靠等特點。隨著HDMI和DP標準的盛行，VGA已經逐漸退出歷史舞臺，但仍然被應用于一些老舊的計算機系統(tǒng)和顯示設備。
VGA接口
結構特征
VGA接口即計算機采用VGA標準輸出數據的專用接口。VGA接口共有15針，分成3排，每排5個孔，是顯示器上應用最為廣泛的接口類型。VGA接口中以針式引出信號線的稱為公頭，以孔式引出信號線的稱為母頭。通常，計算機和VGA顯示器上都有母頭接口，使用兩端都是公頭的VGA連接線可以將它們連接在一起，兩者傳輸圖像時，使用的是VGA圖像傳輸標準。
引腳定義
VGA接口傳輸紅、綠、藍的模擬信號以及水平和垂直的同步信號。標準VGA接口共有15個，其中實際使用的信號只有5個。這其中，HS（HSYNC）是行同步信號，VS（VSYNC）是場同步信號，以及VGAR、VGAG和VGAB是三原色信號（紅、綠、藍），用于傳輸顏色信息的接口都是模擬信號。
顯示原理
色彩顯示
VGA的色彩系統(tǒng)（色彩表示方式）繼承了EGA和CGA的轉換能力，但在其基礎上加以擴展。CGA支持顯示16種顏色，EGA則擴展至64種顏色色版選出的16色模式（紅綠藍各2位）且有更多色盤可用，VGA進一步擴展至256種顏色，但為了兼容性，每次只使用256種之中的64種。此外，VGA允許快速切換四個完整的EGA色板存儲裝置，以實現多彩效果。VGA改進了EGA的顏色使用規(guī)則，允許將256色EGA色板的顏色隨意分配。總之，VGA設計允許顯示理論上無限多種顏色，兼容EGA和CGA，以模擬信號形式呈現。
掃描規(guī)律
VGA顯示器顯示圖像，并不是直接讓圖像在顯示器上顯示出來，而是采用掃描的方式，將構成圖像的像素點在行同步信號和場同步信號的同步作用下，按照從上到下、由左到右的順序掃描到顯示屏上。顯示屏常用的掃描方式有兩種：隔行掃描和逐行掃描，其中VGA的掃描方式為逐行掃描。逐行掃描就是每一行掃描完之后，開始逐點掃描下一行，沒有間隔。
其具體掃描規(guī)律為：在行和場同步信號的同步作用下，掃描坐標從左上角的第一個像素點開始，逐個像素向右掃描，直至掃描到第一行最后一個數據，然后進行圖像消隱，完成后，掃描坐標自第一行行尾轉移到第二行行首。這一過程重復多次，直至掃描到最后一行行尾，完成一幀圖像掃描，進行圖像消隱，然后跳回左上角開始下一幀掃描。每個像素點在掃描中被賦予特定顏色信息，使每個像素點顯示對應的色彩信息，當一頓圖像掃描結束后，開始下一幀圖像的掃描。當掃描速度足夠快時，由于存在人眼暫留效應，因此能創(chuàng)建完整的圖像而不是閃爍的像素點。
時序標準
相關概念
VGA時序標準是指視頻圖像在VGA顯示系統(tǒng)中的時序規(guī)范。它定義了圖像信號的各種時序參數，包括水平同步信號、垂直同步信號、行頻率、場頻率等，以確保正確的圖像顯示。VGA掃描完一行所需要的時間為水平掃描時間，水平掃描時間的倒數成為行頻；完成一幀（全屏）掃描所需要的時間為垂直掃描時間，垂直掃描時間的倒數成為場頻，即刷新一次顯示屏的頻率。在CRT顯示中，為避免電子束掃描線的回歸線產生的信號稱為消隱信號，用于控制電子束的移動以避免破壞屏幕畫面，有行消隱信號和場消隱信號兩種，其存在的時間稱為行消隱期和場消隱期。
在行掃描完成后，需要信號對下一行的數據進行同步，所以稱為行同步信號，同理，每完成一頓畫面的掃描需要信號對下一幀的數據進行同步，這就是場同步信號。用來產生基準頻率信號叫做時鐘信號，在顯示系統(tǒng)中用于同步VGA接口的時序操作，其頻率取決于顯示分辨率和刷新率的需求。
根據VESA（VESA）的標準定義，行時序和場時序都必須包含同步脈沖、顯示后沿、顯示時序段和顯示前沿四個部分。同時VGA工業(yè)標準顯示模式對其進行了進步的規(guī)范：行同步信號、場同步信號都必須為負極性，也就是說同步脈沖要求必須是負脈沖。
時序分析
從時序圖中可以看出，行掃描和場掃描都包括四個主要階段：同步、消隱（前消隱和后消隱）、以及掃描階段。同步階段的目的是防止連續(xù)疊加、滯后或超前掃描；消隱階段主要是為了老式陰極射線管顯示而設計，以避免回掃描線干擾正常顯示；掃描階段就是對顯示器上的實際像素單元進行顯示操作。
行掃描周期由a、b、c、d四部分組成，其中行同步是最先進行的，然后才開始數據掃描，具體如下：
場掃描時序與行掃描時序相似，但場掃描周期由多個行掃描周期組成，每個場掃描都有自己的時序，包括場消隱前肩、場同步時期、場消隱后肩和場總顯示時間。在場消隱期間，H_SYNC時序保持不變，但數據輸入被屏蔽。盡管顯示器具有不同的分辨率，但掃描時序保持一致。場掃描周期也由a、b、c、d四部分組成，首先進行行同步操作，然后才開始數據掃描，具體如下：
時序標準表
在VGA 接口協議中，不同的顯示模式因為有不同的分辨率或不同的刷新頻率，所以其時序也不相同。對于每種顯示模式的時序，VGA 都有嚴格的工業(yè)標準，下表所示即為Xilinx公司制定的VGA時序標準。
顯示模式
標準VGA圖形系統(tǒng)提供多種顯示模式，包括文本模式和圖形模式，其中后者涵蓋了8位色模式至32位色模式等不同色彩深度，VGA圖形控制器必須在其中一種模式下運行。
文本模式也稱為字符模式，其使用字符作為基本單元，一屏所能顯示字符的行數和列數及字符屬性的表示方法即構成了一種文本顯示模式，文本模式顯示字符速度快但無法呈現圖形。
圖形模式以像素點為基本單元，具有特定分辨率和色彩方式，一定的像素分辨率以及一定的色彩表示方式即構成了一種圖形顯示模式。VGA圖形模式分為CGA、EGA兼容圖形模式；標準VGA圖形模式；VGA擴展圖形模式，后兩種統(tǒng)稱VGA圖形模式。 VGA支持多種分辨率和多種色彩方式，兩相組合，形成了豐富多樣的VGA圖形顯示模式。
色彩表示方式
分類及特點
VGA有兩種色彩表示方式，間接方式和直接方式。其中，間接方式是用索引值來確定各個像素點的顏色，然后用色彩查找表來確定每個索引值所對應的真實顏色值，索引值占用較少的數據位，而用較長的數據位來定義色彩查找表中的真實顏色值；而直接方式是指顏色數據不經過色彩查找表而直接用來定義顏色，直接使用紅綠藍三基色的亮度值來直接確定每個像素點的顏色。
VGA采用模擬方式處理色彩，而主機和顯卡使用數字方式表示和處理色彩，為了實現更豐富、細膩的色彩顯示，此時，VGA采用間接色彩表示方式，以減少顯示存儲器的容量。隨著顯示速度的提高、存儲器價格的下降以及應用需求的提高，VGA引入了直接色彩模式，相較于間接色彩模式，直接色彩模式消除了同屏顏色數的限制，簡化了軟件的色彩操作方式，并且可以呈現更加細膩的色彩效果。
顏色信息存儲技術
VGA中常用的存儲顏色信息技術有壓縮像素法和顏色平面法。在壓縮像素方式下，一個像素的所有顏色信息被壓縮為一個存儲數據的字節(jié)，對于僅有幾種顏色的系統(tǒng)，每個壓縮像素可能只占據一個字節(jié)的一部分，對于復雜的系統(tǒng)，則可能需要多個字節(jié)來表示一個像素的顏色信息。在顏色平面方式下，顯示存儲器被劃分成幾個相互獨立的內存平面，每個平面控制一種顏色成分，比如紅、綠、藍。因此，每個像素在每個平面上都占據一位來表示其顏色信息。
色彩模式（顏色數據格式）
在VGA顯示系統(tǒng)中，存在不同的色彩模式和表示方式，以下常用的VGA色彩模式：
24位的直接色彩模式被稱為真彩色模式，因為這種模式已經達到了陰極射線管（Cathode 射線 Tube，CRT）顯示器的表現極限，人的視覺已經無法從屏幕上分辨出相鄰兩種顏色的差異，進一步增加表示色彩的位數已經沒有意義。某些計算機圖形系統(tǒng)中存在一種32位的色彩表示方式，但在這種方式中，用來描述顏色值的仍然只有24位，剩下的8位用于描述三維圖像處理中的透明度等屬性。標準VGA還包括4色和2色模式，但這些模式很少被使用，并且不被VESA標準支持。
參考資料 >