Платы ввода/вывода и компрессии изображения

Игорь Витиорец (e-mail).

Печатается с разрешения автора и жернала '625'
(Статья впервые была опубликована в журнале '625', 1997г., e-mail)

Прошло больше трех лет с того момента, как фирма Truevision выпустила в свет свою первую плату для оцифровки видеоизображения в реальном времени Targa2000. За это время Truevision и другие фирмы разработали еще, как минимум, 60 подобных плат. Восторг первого очарования прошел, наступило время трезвого анализа. Именно поэтому хотелось бы выработать какие-либо объективные критерии сравнения и оценки этих устройств. В данной статье читателю будут предложены для рассмотрения принципы построения данных плат и критерии оценки данных устройств, базирующиеся на этих принципах и способах эксплуатации.

Итак, начнем

Для чего предназначены эти платы? Для записи видеоинформации в компьютер синхронно со звуком или без, последующей обработки-монтажа и, если необходимо, в дальнейшем для воспроизведения полученного видео. Плата состоит из входных/выходных блоков FrontEnd, буфера ОЗУ, блока компрессора/декомпрессора, интерфейсов шины. В качестве дополнительных устройств на платах могут присутствовать звуковые подсистемы и системы создания видеоэффектов, а также процессоры/ микроконтроллеры общего назначения для согласования и управления работы всех блоков.

Для понимания функционирования плат обратимся к рис. 1. На нем изображена типичная плата обработки видеоизображения среднего класса для работы с шиной PCI. Входной видеосигнал преобразуется входным блоком FrontEnd в данные YCrCb 4:2:2 и, в дальнейшем, может направляться на интерфейс шины, а потом в компьютер. Такой путь данных используется для захвата одиночных некомпрессированных кадров или последовательности, если позволяет дисковая подсистема. Кроме этого, эти же данные могут поступать на выходной FrontEnd для обеспечения режима просмотра. Следующий путь данных, используемый для записи видеопотока на диски: входные данные 4:2:2 поступают на блок Codec, где они сжимаются, и в дальнейшем поступают на интерфейс шины, через которую записываются на дисковую подсистему. Во время записи возможно использование режима просмотр.

Режим проигрывания компрессированного видеопотока: компрессированные данные поступают через интерфейс шины на блок Codec, где декомпрессируются, и полученные YCrCb 4:2:2 данные поступают на выходной FrontEnd. Кроме проигрывания компрессированных видеоданных, система может воспроизводить и несжатые данные при наличии достаточно производительной дисковой подсистемы. В этом случае 4:2:2 данные из дисковой подсистемы через интерфейс шины сразу же поступают на выходной FrontEnd. Описанные выше режимы работы являются основными.

Приятными дополнениями являются режимы аппаратной компрессии/декомпрессии для поддержки Video for Windows(VFW). Режим сжатия компьютерной графики и данных VFW: подготовленный кадр - данные в формате 4:2:2 через интерфейс шины в реальном времени поступают на вход блока Codec с временными характеристиками, аналогичными видеоданным полученных с FrontEnd. Кстати, именно в этом заключается искусство схемотехники и программирования - любое замедление может привести к срыву процесса компрессии. После этого сжатые данные через интерфейс шины поступают обратно в компьютер. Процесс декомпрессии кадра для VFW является зеркальным: через интерфейс шины данные поступают на декомпрессор, где разжимаются и поступают на интерфейс шины. Понятно, что и в этом случае, два времязависимых процесса происходят параллельно, что и объясняет трудность реализации аппаратной поддержки компрессии/декомпрессии на платах без буфера ОЗУ.

На рис. 2 изображена схема более сложного устройства платы. Чем она отличается от платы на рис. 1? Благодаря наличию буфера ОЗУ требования к точности согласования временных характеристик уменьшились, и именно поэтому все обмены данными происходят через этот блок. Добавился микроконтроллер управления, который производит инициализацию и синхронное управление всеми блоками. Звук преобразуется в цифровое представление и передается в компьютер через интерфейс шины, с предварительной буферизацией в массиве оперативной памяти. Общим микроконтроллером управления или отдельным звуковым DSP процессором производится синхронизация звуковых и видеопотоков как при записи, так и при воспроизведении. Компрессированные видеоданные и/или звуковые данные записываются на выделенный жесткий диск, подключенный через находящийся на плате интерфейс шины внешних устройств хранения данных. Добавленный на плату видеомикшер позволяет резко увеличить скорость просчета эффектов. Путь и направления пересылки данных в этом случае выглядят следующим образом. Сжатые данные видеопотока через интерфейс шины помещаются в буфер ОЗУ, оттуда они отправляются в блок Codec, где распаковываются и временно возвращаются в буфер ОЗУ. Время на эту операцию составляет от 1 до 2 длительностей кадров. Тоже самое происходит со вторым видеопотоком, за исключением того, что декомпрессированные данные помещаются в другую область буфера. После этого данные обоих кадров синхронно отправляются в видеомикшер, где за время равное длительности одного кадра, с ними производится выбранный видеоэффект, в необходимой на настоящий момент фазе. Полученный результирующий кадр в это же время помещается в буфер ОЗУ, в отличную от местоположения исходных кадров область. В последующем он отправляется на компрессию в блок Codec, а затем помещается в буферную память, и потом через интерфейс шины переправляется обратно в компьютер. При грамотном исполнении всех устройств платы и правильном согласовании их работы минимальное время создания одного кадра, полученного эффектов, составляет 4-5 длительностей кадра. В худшем случае, это время может быть увеличено в два раза.

Схемное решение, показанное на рис. 2, соответствует гипотетической смеси плат фирм DPS и Truevision. Итак, все очень просто. Для того, чтобы записать и в дальнейшем воспроизвести видео в аналоговом, а сейчас уже часто и в цифровом виде (стандарты SDI и DVC ), необходимо перевести его из формата данных среды передачи в стандартное цифровое представление и обратно. Например, если используется аналоговые входы/выходы, то необходимы аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Если используется оборудование с системой передачи данных SDI, то необходима система преобразования из последовательного формата в параллельный формат 4:2:2 YCrCb. В случае же использования оборудования DVC необходимы схемы преобразования и выделения из сигналов FireWire (IEEE1394) сжатого видео и звука для последующей обработки. Вообще, кроме собственно преобразований из аналогового представления в цифровое и обратно, в случае использования композитных и S-Video сигналов необходимо еще и декодирование/ кодирование этих сигналов в соответствии с системой цветного телевидения NTSC/PAL/SECAM. А в случае использования цифровых форматов передачи видеоинформации еще необходимо производить согласование частотных, фазовых и нагрузочных характеристик среды передачи и осуществлять все обработки, связанные с коррекцией ошибок.

Все вышеописанные действия осуществляет блок под общим названием FrontEnd, по терминологии Philips. В принципе, можно было бы назвать все эти схемы своими функциональными именами декодер PAL/NTSC, АЦП/ ЦАП, кабельный корректор, процессор восстановления ошибок и так далее, но это все - частные названия узлов, которые могут быть или не быть в конкретном устройстве. FrontEnd - это общее собирательное название блока, который преобразует сигналы входящие и исходящие в/из системы в формат цифровых данных, в дальнейшем используемый другими узлами платы.

Итак, что необходимо знать о FrontEnd?

Естественно они бывают входные и выходные. FrontEnd может быть, как одной микросхемой, так и состоять из нескольких различных схем. FrontEnd бывают аналого-цифровые - на платах, работающих в аналоговом окружение, и цифро-цифровые, используемые на платах для работы с устройствами имеющими подключения SDI и DVC.

Сначала мы рассмотрим входные FrontEnd. В принципе, они являются первичными в платах, предназначенных для видеообработки. Блоки FrontEnd, работающие с композитным и S-Video сигналами, должны осуществлять преобразование из этих сигналов в формат цифровых данных, в дальнейшем используемых другими блоками платы, как правило, это YCrCb 4:2:2. Этот формат является достаточным и в полной мере отображает всю информацию, принципиально возможную в аналоговых видеомагнитофонах. Условно такие блоки FrontEnd будем называть композитными. Схемы построения входных FrontEnd на настоящий момент имеют два основных варианта построения: аналоговое декодирование с последующим оцифровыванием полученного компонентного видеосигнала (на настоящий момент используется только в изделиях фирмы DPS) и АЦ преобразование входного сигнала соответственно в цифровой композитный/S-Video сигналы - фактически последовательность цифровых замеров входных сигналов, которые в цифровом виде и декодируются до YCrCb 4:2:2.

На настоящий момент подавляющее большинство видеоплат используют данный тип композитных блоков FrontEnd, поэтому остановимся на них более подробно. Данный тип входных преобразователей имеет несколько характеристик, по которым и определяется интегральный показатель качества блока.

1. Разрядность входных АЦП - 8 или 10 бит. 10-разрядные преобразователи, во-первых, обеспечивают лучшее представление входного композитного сигнала, а во-вторых, теоретическое соотношение сигнал/шум для 8-разрядных преобразователей составляет 48 дБ, а для 10-разрядных - 60 дБ. Именно поэтому не стоит верить фирме-изготовителю, которая в своем рекламном проспекте пишет, что "отношение сигнал/шум 65 дБ" и при этом использует 8-разрядное представление сигнала. Кстати, использование входного 10-разрядного АЦП с последующим 10-разрядным декодированием и использованием только старших 8 разрядов декодированного сигнала, дает гораздо лучшие результаты, чем полностью 8-разрядный входной тракт. Среднепредсказуемое улучшение отношения сигнал/шум в таком случае составляет 5 дБ. Использование 10-разрядного входного АЦП с последующем интеллектуальным округлением до 8 разрядов улучшает отношение сигнал/шум по сравнению с "честным" 8-разрядным трактом по среднепредсказуемому значению на 3 дБ. На настоящий момент 10- разрядные видео АЦП изготавливают фирмы Brooktree и Raytheon. Все без исключения FrontEnd со встроенными АЦП используют 8-разрядные преобразователи.

2. Частота квантования входного сигнала. Понятно, что чем выше частота преобразования, тем лучше цифровой композитный видеосигнал передает реальный аналоговый входной сигнал. Существует несколько вариантов стандартных частот квантования, но, как правило, во всех блоках FrontEnd, установленных на видеоплатах, используется учетверенная или увосьмеренная частота цветовой поднесущей, декодируемой в настоящий момент системы цветного телевидения для NTSC - 3,58 МГц, для PAL - 4,43 МГц. При декодировании SECAM в качестве базовой используют частоту цветовой поднесущей PAL. Увосьмеренная частота используется только в интегральных FrontEnd фирмы Brooktree. Комбинация разрядности АЦП и его частоты преобразования позволяет говорить о широте информационного канала. Удвоение частоты квантования улучшает теоретическую точность декодирования в те же два раза.

3. Использование встроенных методов коррекции временных искажений. Данная черта схемотехники FrontEnd позволяет видеоплате работать с источниками видеосигналов низкого качества. Наиболее продвинутая технология коррекции временных искажений используется в блоках FrontEnd фирмы Brooktree - Ultralock. Изображение получается стабильным и чистым даже в тех случаях, когда бытовой телевизор отказывается "схватывать" цвет. Технологии коррекции временных искажений в той или иной степени используют большинство интегральных FrontEnd фирмы Philips.

4. Разрядность декодера - 8 или 10 бит. Все, что написано по поводу АЦП, так же относится и к декодерам. Понятно, что для достижения максимального результата необходимо использовать сочетание декодера и АЦП максимальной разрядности.

5. Дополнительные особенности построения цифрового декодера. Это различные цифровые фильтры и их возможности. По этому параметру выделяются декодеры фирмы Raytheon, если по 10-бальной шкале им присвоить 10 балов, то декодерам фирмы Brooktree можно дать 8, Phillips - 7, Thomson, ITT, Siemens имеют показатели не выше 5.

6. Немаловажным является то, какие системы цветного телевидения поддерживает данный конкретный блок FrontEnd - PAL/NTSC/ SECAM. Все выпускаемые на настоящий момент цифровые интегральные композитные FrontEnd поддерживают одинаково хорошо PAL и NTSC, кстати именно этим объясняется универсальность видеоплат на основе таких входных схем, в отличие от аналогово-цифровых FrontEnd. Достаточно большое число интегральных микросхем от Philips поддерживают в качестве входного стандарта SECAM, последнее относится и к единственному комплекту FrontEnd от ITT Intermetal (устанавливается на платы miroDC10/30).

7. Если плата предназначена для работы в профессиональном аналоговом композитном окружении, то обязательной чертой является возможность работы в режиме внешней синхронизации - Genlock. Для обеспечения такой работы от входного композитного блока FrontEnd требуется уметь выделять и выдавать не только сигналы синхронизации (развертки), но и фазу цветовой поднесущей. Без такой возможности в ходе монтажа при переключении на видеосигнал, выдаваемый платой, будет возникать "подрыв по цвету ", вызванный потерей цветовой синхронизации. Практически все современные интегральные блоки FrontEnd фирмы Philips предоставляют такую работу. Кроме этого, они имеют специальный сигнал RTI (Real Time Information), при подаче которого режим внешней синхронизации платы осуществляется автоматически, программированием выходного кодера. Профессиональные декодеры фирм Brooktree и Raytheon тоже обеспечивают такую возможность.

Кроме композитных сигналов, существуют и компонентные сигналы. Так как эти сигналы имеют гораздо более простой "характер", то входные блоки FrontEnd для них являются гораздо менее сложными, чем композитные. Соответственно проще требования, предъявляемые к ним. Общие принципы информационной емкости канала справедливы для них так же, как и для композитных схем.

Практически единственной характеристикой для них является разрядность: 8 или 10 бит. Подавляющее большинство компонентных плат имеет 8-разрядные входные АЦП. Значит, отношение сигнал/шум для проходящего сигнала для этих плат не может быть лучше 48 дБ, что и следует хорошо запомнить. Цифровые входные FrontEnd, по существу, являются контроллерами высокоскоростных локальных сетей со всеми вытекающими отсюда возможностями. Локальная сеть, в принципе, никак не отвечает за характер информации в передаваемых ею пакетах, хотя это не очень справедливо в отношении SDI сигналов, но именно это типичное для локальных сетей качество и позволяет передавать по SDI сети не только видео, но и звук.

Стандарт SDI - Serial Digital Interface - сейчас является стандартом де-факто в профессиональных и вещательных цифровых видеосистемах. Это обусловлено несколькими особенностями стандарта:

1) простота физической среды передачи - обычный коаксиальный кабель;

2) большая дальность передачи данных - стандартная длина перегиба 350-420 метров;

3) простота подключения и отсутствие настройки;

4) поддержка разнообразных информационных разрешений канала - 8-10 бит;

5) возможность передачи встроенных данных (как правило, это может быть 2 канала стереозвука 16-24 разряда при частоте дискретизации 48 кГц, благодаря чему можно значительно сократить число соединений в студии);

6) возможность автоматического контроля и настройки среды передачи позволяет избежать искажений сигнала на пути передачи от передатчика к приемнику.

Сигнал компонентного SDI, как уже написано выше, несет видеоинформацию в 8- или 10-разрядном представлении. Используемая схема выборки 4:2:2, частота дискретизации 13,5 МГц как для PAL, так и для NTSC, с разрешением активной части строки 720 точек.

Блоки FrontEnd для SDI должны обеспечивать следующие функции: принимать входной сигнал, преобразовывать его из последовательного сигнала в параллельный вид и, если нужно, производить согласование разрядности сигнала с разрядностью платы (8'10; 10'8). Так при передачи компонентного сигнала в цифровой форме все аналоговые шумовые характеристики сигнала определяются в устройстве-передатчике SDI с первичным АЦП, отношение сигнал/шум определяется только начальным отношением сигнал/шум и разрядностью сигнала. Максимальная информационная емкость SDI составляет 270 Мбит/с. Сегодня в мире основными производителями блоков FrontEnd SDI являются STS Thomson, Gennum и Sony. Наиболее мощными являются микросхемы фирмы Gennum, семейства DigiLinx и DigiLinx-II.

II. В отношении FrontEnd для FireWire (IEEE-1394), можно сказать, что это самые, что ни на есть стандартные сетевые контроллеры, которые только принимают и передают пакеты информации в сети, никак не отвечая за содержание информации. Разбор принимаемой/передаваемой информации, с точки зрения ее содержания, производит встроенный микропроцессор, в самом видеозаписывающем/воспроизводящем устройстве, на плате или просто центральный процессор компьютера, в который установлена эта плата. Контроллеры-микросхемы для IEEE-1394 выпускают Sony, Adaptec, TI, NCR и еще много фирм, специализирующихся на выпуске контроллеров для локальных сетей и высокоскоростных систем накопления информации.

К выходным блокам FrontEnd предъявляются практически те же или комплиментарные требования. Наиболее сложные с точки электроники цифро-аналоговые композитные FrontEnd оцениваются практически с тех же самых позиций, что и входные.

В настоящий момент для всех интегральных схем разрядность входных сигналов составляет 8 бит. Кроме этого, имеет значение разрядность выходных ЦАП. Здесь она варьируется от 8 до 10. Чем выше разрядность выходных цифро-аналоговых преобразователей, тем точнее синтезируется выходной композитный сигнал, тем точнее из него можно будет декодировать яркостную и цветовые компоненты. Тем лучше отношение сигнал/шум выходного сигнала. Лидерами в области создания выходных композитных блоков FrontEnd являются фирмы Brooktree и Raytheon. Самые лучшие модели у них имеют 3-4 выходных 10-разрядных ЦАП. Встроенные цифровые фильтры высоких порядков с идеальными АЧХ и ФХЧ обеспечивают идеальный композитный сигнал. Частота дискретизации тоже имеет немаловажное значение для создания правильной формы сигнала.

Все интегральные выходные композитные FrontEnd поддерживают стандарты PAL и NTSС. Некоторые модели Philips и кодер фирмы ITT поддерживают в качестве выходного стандарта и SECAM. Проблема состоит в том, что этот сигнал не соответствует ГОСТ, из-за отсутствия сигналов цветовой синхронизации, так называемых "бутылочек". Кроме этого, изделиям фирмы ITT, изначально ориентированным на бытовой рынок, присуще низкое качество блоков FrontEnd.

Все профессиональные выходные FrontEnd фирм Brooktree и Raytheon обеспечивают работу в режиме Genloсk. А как уже писалось выше, практически все современные выходные FrontEnd фирмы Philips оснащены системой RTI. Компонентные FrontEnd представляют собой не более, чем стандартные видео ЦАП, для которых основной характеристикой является разрядность. В принципе, имеет значение отношение сигнал/шум, но, как правило, этот параметр имеет значение на 6 дБ лучшее, чем разрядность ЦАП.

Буфер ОЗУ. Массив оперативной памяти, используемый для хранения различных данных. В качестве частного случая в нем могут хранится только видеоданные, тогда такой массив ОЗУ называется кадровым буфером. Вообще буфер ОЗУ не является обязательной частью видеоплат и на недорогих моделях вообще отсутствует. Полученные цифровые данные могут помещаться в оперативную память для того, чтобы из нее данные могли быть забраны различными потребителями - выходным FrontEnd, компрессором, интерфейсом шины. Наличие такого буфера позволяет достаточно просто осуществлять всякие необязательные, но приятные особенности, например, оцифровка и вывод кадров без компрессии, уменьшение минимальной степени сжатия, за счет буферизации шины, производить аппаратную компрессию данных полученных из компьютера и аппаратно распаковывать данные для последующей обработки компьютером. В системах записи/воспроизведения некомпрессированного видео буфер ОЗУ является необходимой частью платы, так как без него невозможно выравнивание входных потоков с дисков и выходного видеопотока. Компрессор/декомпрессор - часть видеоплаты, предназначенная для сжатия входного видеопотока, уменьшающего информационный объем потока данных при сохранении визуального качества.

Компрессия может быть внутрикадровой и межкадровой. Все видеоплаты для монтажа на настоящий момент работают с внутрикадровыми способами компрессии, так как в противном случае не возможно мгновенно позиционироваться на произвольный кадр.

Из межкадровых способов компрессии наиболее популярными являются стандарты MPEG-1 и MPEG-2. Профессиональное качество сигнала MPEG-1 обеспечить не может из-за отсутствия поддержки полей. MPEG-2 является стандартом, который может обеспечить любое качество сигнала, включая вещательное, при достаточно высоких степенях компрессии, например, 1:20 - 1:10. Но из-за того, что в этом варианте используется достаточно длинная структура GOP (10-15 кадров), задержка позиционирования в худшем случае может составить 4-5 кадров, что не позволяет обеспечить монтаж прямыми склейками в реальном времени и требует обязательного цикла компрессии/декомпрессии выходного потока со значительной потерей качества. Именно поэтому MPEG-2 используется там, где исключена какая-либо обработка сигнала: DVD, спутниковые каналы, прямое вещание.

Список используемых создателями видеоплат методов кодирования включает в себя JPEG и M-JPEG; Wavelet и Indeo.

Наиболее популярным является метод компрессии с потерями JPEG и его модификация M-JPEG. Данный способ пришел в видео из фотографии, и в дальнейшем был адаптирован до M-JPEG. Способ обеспечивает удачное сочетание качества компрессированного изображения, достаточно высокие степени компрессии и разумные цены микросхем для построения системы.

На компрессию JPEG существует стандарт, и поэтому кажется, что все платы и наборы микросхем должны сжимать видео с одинаковым качеством, тем более, что "ручка" управления у процесса сжатия вроде бы одна - коэффициент Q.

Но не все так просто, как кажется. В процессе сжатия используются управляющие данные прямо влияющие как на степень сжатия, так и на качество декомпрессированного видео. Это таблицы квантования и таблицы Хаффмана. Большинство производителей плат используют таблицы, рекомендованные либо стандартом JPEG, либо производителем микросхем. Но не следует забывать, что эти таблицы подбирались, исходя из статистики фотоизображений, что, кстати, следует из самого названия стандарта JPEG - Joint Photography Experts Group. А для видеоизображений характерно как другое цветовое пространство, так и другая статистика изображений вообще, что ведет за собой необходимость создания таблиц квантования для видеоизображений и таблиц Хаффмана, наиболее правильно сжимающих полученные битовые последовательности. Фирмы Truevision, Fast и DPS решили эти задачи, так как при примерно одинаковых степенях сжатия, их платы обеспечивают более высокое качество, чем платы других фирм. Большое значение имеют возможности по изменению этих таблиц заложенные в сами микросхемы сжатия.

Наиболее популярным, на настоящий момент, набором микросхем для сжатия являются микросхемы фирмы Zoran. Основным достоинством их является то, что они обеспечивают полевое кодирование при достаточно низкой стоимости и простом использовании набора. К недостаткам следует отнести плохие возможности по управлению таблицами и получению статистики. Но это, по большому счету, не играет никакой роли, так как микросхемы позиционируются исключительно для бытового и полупрофессионального рынка. Исключение составляет плата Digimotion, судя по цене и возможностям ориентированная на самый, что ни на есть, вещательный рынок. Набор микросхем является 16-разрядным, поэтому он легко используется в платах с интерфейсом ISA.

Рабочей лошадкой в платах, ориентированных на профессиональный рынок является набор микросхем фирмы LSI Logic, выпускающийся уже 4 года. Это хороший гибкий набор. Недостаток - большое количество дополнительной обвязки. Используется в платах фирм Data Translation, DPS, FAST, Matrox, Truevision.

Самый "тяжелый" чип сжатия по стандарту JPEG производит фирма C-Cube - CL-560E. Тяжелым я его назвал не только потому, что его очень трудно программировать (на настоящий момент на нем сделаны только две платы), но и потому, что он является чисто 32-разрядным чипом, имеет огромное количество способов представления входных/выходных данных, гибкое и сложное управление, весь находится в одной микросхеме, и способен обеспечить максимальное доступное качество компрессированного видео при более низких потоках, чем у конкурентов. К сожалению, он появился слишком поздно, когда LSI уже завоевал рынок профессиональных плат, и слишком сложен для полупрофессиональных и бытовых плат. Еще один недостаток - неустойчивость плавающей арифметики, которая приводит к вырождению изображения на 5-6 цикле компрессии неизменяемого изображения.

Перспективный, но пока малопопулярный способ сжатия Wavelet. Обеспечивает сжатие с потерями. Имеет некоторые преимущества перед JPEG. Это обработка всего изображения, а не базового квадратика 8x8, возможность более гибкого изменения параметров сжатия вместо пресловутого Q и таблиц (только на чипе фирмы Analog Devices возможно регулировать 11 параметров сжатия). При потоках 2-4 МБ/с обеспечивает визуально более высокое качество компрессированного видео, чем JPEG. Недостаток - сильная деградация изображения при повторных циклах компрессии, выражающаяся в уменьшении общего числа цветов и появлении высоких гармоник в изображении. На настоящий момент данный способ сжатия используется в системе Video/Turbo Cube фирмы Scitex и микросхеме ADV601 фирмы Analog Devices.

Метод сжатия Indeo был разработан фирмой Intel и первоначально применялся в платах MM-2 фирмы IBM, в дальнейшем фирма улучшила свой алгоритм для декомпрессии с помощью центрального процессора и воспроизведения 30 кадров в секунду полноцветного изображения с разрешением 320x240. Нельзя сказать, что это подходит для редактирования видео или компьютерной графики, зато сжатые таким образом файлы можно проигрывать компьютером, лишенным платы аппаратной декомпрессии, что является неоспоримым преимуществом для мультимедиа приложений. Фирма предпочитает не разглашать тонкости способа сжатия, но это и не имеет особого значения, так как программный декодер доступен практически в любой системе Windows. В 1996 году фирма ITT выпустила набор микросхем для аппаратного кодирования Indeo, что позволило создать плату, сжимающую входной видеопоток по стандарту Indeo, и в дальнейшем достаточно просто редактировать полученные файлы.

Следующий обязательный элемент любой нелинейной платы это интерфейс шины. Он предназначен для двунаправленного обмена данными между платой и компьютером и управления компьютером. Шины могут быть двух типов компьютерные: ISA, EISA, VLB, PCI, NuBus и шины устройств накопления информации IDE, EIDE, SCSI. Большинство плат компрессии используют стандартную компьютерную шину для пересылки видеоданных, в том числе и компрессированных. Понятно, что шина ISA накладывает ограничение на поток не выше 2,5 МБ/с, все остальные шины являются высокоскоростными и способны передавать даже некомпрессированное видео. Самая производительная на настоящий момент шина PCI обеспечивает пропускную способность в режиме PCI Burst до 132 МБ/с. Для обеспечения такой скорости необходимо, чтобы интерфейс PCI поддерживал режимы работы с шиной PCI Bus Master или Target. Шины устройств накопления информации применяют, когда не хотят использовать системные диски в качестве накопителей видеоинформации. Сейчас таким, некогда прогрессивным, способом пользуется только фирма DPS. Кроме собственно шин общего назначения, платы могут иметь свои собственные специализированные шины, предназначенные для обмена данными между платами одного изготовителя. Примерами таких шин является стандартизированные шины фирмы Matrox MovieBus и MovieBus2. Так как эти шины стандартизированы и открыты, то и другие фирмы изготавливают дополнительные платы (микшеры, генераторы 3D-эффектов, цифровые интерфейсы и т.д.) для совместной работы с изделиями фирмы Matrox. Такие же шины есть у фирм DPS на семействе плат Perception и Fast - VideoMachine.

Звуковая подсистема является необязательным, но сильно упрощающим жизнь блоком. Требования к звуковой подсистеме в принципе совершенно стандартны - частота дискретизации и разрядность. Какие входы/выходы присутствуют на плате: аналоговые - симметричные или нет; цифровые. Но существенным требованием является только наличие DSP процессора для обеспечения синхронизации звуковых и видеопотоков. Такой особенностью обладают только платы фирмы Truevision, семейства Targa1000/2000, Master Line фирмы Fast и дополнительная плата фирмы DPS A4V. Все остальные системы являются не более, чем расположенными на одной плате, отдельными звуковыми и видеосхемами, а для обеспечения синхронизации используется центральный процессор. В реальном режиме работы в момент прихода разнообразных прерываний, он не может обеспечить гарантированную обработку еще и этого процесса.

Итак, со схемотехникой, в принципе, все понятно. Ниже приводятся оценочные параметры, вытекающие из устройства плат.

1. Входы/выходы видео платы. Аналоговые: композитные/S-Video/компонентные. Цифровые SDI/IEEE-1394. Для профессионального использования желательно иметь компонентные и цифровые входы.

2. Поддерживаемые системы цветного телевидения на входе/выходе. Монтажным стандартом в нашей стране является PAL и система разверток 50/625. Именно поэтому обязательным является поддержка PAL и компонентных разверток 50/625. Неплохим дополнением для бытовых плат является поддержка SECAM в качестве дополнительного стандарта.

3. Блок FrontEnd. В порядке убывания качества Brooktree, Raytheon, Philips, ITT, все остальное. Если на плате вы увидели микросхемы фирм Brooktree, Raytheon - это сразу говорит о ее высоком качестве. Philips - совершенно стандартное решение, может быть с одинаковым успехом встречено как на профессиональных и полупрофессиональных платах, так и на бытовых изделиях. ITT - универсальные блоки FrontEnd, но из-за отсутствия опыта у фирмы, разработаны достаточно плохо, хотя и поддерживают в качестве выходного стандарта SECAM, зато не обеспечивают стабильности частоты цветовой поднесущей. Motorola, Analog Devices, Thomson, Siemens, Sony, Crystall просто относится к категории все остальное.

4. Поддерживаемое входное разрешение. Существует две стандартные сетки разрешений, базирующихся соответственно на частотах квантования CCIR-601 и частотах, соответствующих квадратной точки изображения. Для систем разверток PAL это - 720x576; 360x576; 720x288; 360x288 - при использовании частот квантования рекомендованных CCIR-601. Первое максимальное разрешение соответствует полной разрешающей способности самого стандарта, а последующие разрешения являются производными от него с уменьшением разрешения либо по горизонтали, либо по вертикали, либо и того и другого одновременно. Уменьшение разрешения по горизонтали приводит к деградации максимально возможного качества до качества, визуально оцениваемого как S-VHS. Уменьшение разрешающей способности по вертикали обычно производится выкидыванием одного поля, что приводит к появлению эффекта стробоскопирования на быстрых движениях (miroDC1). К достоинствам этой сетки разрешений относится полная совместимость со стандартом передачи цифровых данных SDI, именно поэтому платы, рассчитанные на работу с SDI, всегда поддерживают такие разрешения. К недостаткам относится неквадратный размер точки, что может представлять трудности для достаточно большого количества программного обеспечения, так и для людей, работающих с ним. Сетка разрешений, базирующая на квадратном пикселе, выглядит следующим образом 768x576; 384x576; 768x288; 384x288. Все вышесказанное про сетку разрешений CCIR-601 одинаково хорошо подходит и к системам, базирующимся на квадратном размере точке. К недостаткам можно отнести немного больший, на 10%, объем некомпрессированного видеопотока. Естественно речь идет о системе разверток 50/625. Максимальный объем видеопотока при 8-разрядной выборке 4:2:2 составит для 720x576 - 20,25 МБ/с, а для 768x576 - 22МБ/с. Объем потоков для меньших размеров кадра рассчитывается простым делением. Для систем с развертками 59,94/525 сетки разверток будут соответственно: 720x486, 360x486, 720x243, 360x243 и 640x486, 320x486, 640x243, 320x243 для ССIR и квадратной точки соответственно.

5. Система выборок. В настоящий момент принято обозначать систему выборок при квантовании следующим образом Y:U:V:A, где вместо букв ставится число, обозначающее число отсчетов соответствующего параметра для группы из 4 точек изображения. Y - это число отсчетов яркости; U и V - соответственно красный и синий цветоразностные сигналы; A - необязательный силуэтный канал. Наиболее популярная система выборок 4:2:2 максимально эффективна. Полоса пропускания по цветовым составляющим в два раз меньше, чем по яркостному каналу. Модной становится система выборок 4:1:1, находящая применение в системах MPEG и DVC(AM/Pro). Следует понимать, что при такой системе выборок разрешение по цвету падает в два раза. Система выборок 4:2:2:4 применяется для дополнительной записи силуэтного сигнала. Например, для наложения в реальном времени одного изображения на другое с использованием синтезированного сложного слоя прозрачности или в качестве управляющего сигнала для микшера.

6. Разрядность системы. Сегодня подавляющее большинство систем 8-разрядные. Исключение составляет Digital Disk Recorder Hollywood фирмы DPS. Эта плата единственная, которая может претендовать на отношение сигнал/шум лучше 48 дБ.

7. Минимально возможная степень компрессии. Чем меньше степень компрессии, тем меньше искажений вносится в обрабатываемый видеопоток. Обратная величина степени компрессии - поток сжатых данных или Disk Rate - поток данных, записываемых на диск в течении одной секунды. Понятно, что зная исходный поток для несжатого видео и степень компрессии, в принципе, легко посчитать Disk Rate. Disk Rate является более объективным интегральным параметром оценки платы, так как позволяет сразу оценить общую степень сжатия и пропускную способность интерфейса шин при реальной работе в многозадачном приложении. При записи сжатого видео на диск приходится одновременно получать данные в память компьютера через интерфейс шины и, в тоже время, записывать их из памяти на диск, одновременно управляя этим диском. Приведу два примера для понятия разности двух этих понятий. На старой плате фирмы Truevision Targa2000 по документации можно было получать степени компрессии до 1:5, что по расчетам должно было примерно соответствовать Disk Rate 4,4 МБ/с (используется разрешение 768x576), в действительности из-за неудачной схемотехники интерфейса EISA, примененного на плате в большинстве "фирменных" приложение получить Disk Rate лучше 3,3 МБ/с не удавалось. Или другой пример, в качестве характеристики всех плат для монтажа DV указывается степень компрессии 1:5, но не указывается что при разрешении 720x576, 8-разрядном квантовании и выборке 4:2:0 это соответствует Disk Rate 3,1 МБ/с. Для характеристик систем сжатия лучше использовать характеристику MBR - Maximum Byte Rate - т.е. максимальный поток сжатого видео в МБ/с, возможный при сжатии данным конкретным устройством.

8. Звуковые характеристики, касающиеся плат ввода/вывода, характеризуют частота и разрядность. Понятно, что про эти характеристики можно сказать "чем больше, тем лучше". Стандартным рядом частот является 11025, 22050, 32000, 44100, 48000 Гц при разрядностях 8, 12, 16 бит. Считается, что если плата поддерживает работу со стерео звуком на частоте 44100 Гц при 16 разрядах, то она уже полностью соответствует профессиональному назначению. Важной характеристикой является наличие на плате процессора DSP. При его отсутствии можно обойтись внешней звуковой платой.

9. Комплектация программным обеспечением. Минимум программного обеспечения на настоящий момент составляют драйверы для Video for Windows, хорошим тоном считается поставлять драйверы под все системы Windows. Поддержка DOS сейчас является необязательной. Хорошим подспорьем при использовании для действительно профессиональных плат является наличие программы DVCR - Digital VCR. Если плата обеспечена какие-нибудь дополнительными программами для работы с ее внутренней аппаратурой - то это является большим плюсом в ее пользу.

10. Наличие внешнего BreakOut Box - внешней коробки , через которую осуществляется большинство подключений, свидетельствует о профессиональном назначении платы.

Продолжение на следующей странице.

 Пишите! Мне интересно будет Ваше мнение, замечания и пожелания. Указывайте в письме НЕсогласие на опубликование. Если ничего не будет указано - публикую по своему усмотрению. Если письмо не личное, конечно...