Лекція 4. Обробка відеозображень

Питання:

1. Принципи передачі кольорових телевізійних зображень.

2. Об'єднання комп'ютерної графіки і телевізійного зображення.

3. Стандарти кодеків зображень MPEG.

Література: 1. Гук. М. Аппаратные засоби IBM PC. Пітер, 2005, з. 487-498.

1. Принципи передачі кольорових телевізійних зображень.

Растрова система зображень заснована на представленні зображення в телебаченні. Зображення в телебаченні виходить за допомогою широкосмугової обробки КЗС – сигналів. Проте передавати ці сигнали по радіоканалах у такому вигляді технічно неможливо. Крім того, телевізійний сигнал повинен бути сумісний і з чорно-білими телеприймачами. Тому в телебаченні сигнали трьох первинних кольорів Ч, З, С проходять через перетворювач координат, на виході якого отримують сигнал У, несучий інформацію про яскравість крапок (luminance), і два цветоразностных сигнали U і V, несучих інформацію про колір (chrominance) — про співвідношення яркостей червоного і синього кольору щодо зеленого. Зелений вибраний основним, оскільки зір людей до нього найбільш чутливо. Далі, ці сигнали пердаются по телевізійному тракту до телеприймача різними шляхами залежно від мовного стандарту, що використовується. Сигнал У завжди передається на основній (несучої) частоті телевізійного каналу, цветоразностные сигнали, спеціальним чином закодовані, передаються на піднесучій частоті каналу. Втрата цветоразностного сигналу приведе до того, що прийняте зображення виявляється чорно-білим. Оскільки проблема смуги пропускання відеотракту стоїть гостро, у всіх мовних системах прийнята відрядкова розгортка.

Окрім стандарту NTSC існують ще два популярних в світі стандарту: PAL і SECAM.

В стандарті PAL фаза одного з цветоразностных сигналів (К-Y) міняється від рядка до рядка, що і дало назву цьому методу (Phase Alternating Line). Таке рішення дозволило підвищити стабільність декодування. Для збільшення горизонтального дозволу піднесуча частота цветоразностного сигналу підвищена до 4,43 Мгц. Частота кадрів — 25 Гц (при частоті полів 50 Гц), кількість рядків — 625. Стандарт PAL забезпечує дозвіл 800 х 600. У варіанті PAL-M прийнятий формат кадру NTSC (60 Гц і 525 рядків), а в PAL-N при 625 рядках (50 Гц) повернулися до піднесучої 3,58 Мгц.

SECAM - система французького походження. В цій системі замість модуляції квадратури піднесучої застосовані дві піднесучі цветоразностных сигналів з частотною модуляцією. Частота кадрів — 25 Гц (при частоті полів 50 Гц), кількість рядків — 625.

Кажучи про телевізійні стандарти, не слід забувати і про канал звукового супроводу. У всіх цих системах для звуку використовується частотна модуляція додаткової піднесучої частоти

6,5 Мгц для SECAM;

5,5 Мгц для PAL (але іноді і 6,5 Мгц);

4,5 Мгц для NTSC і PAL-M;

можуть зустрічатися і 6 Мгц..

Всі перераховані системи в кольоровому режимі між собою несумісні, хоча для них і існують пристрої-конвертори. Пристрої обробки відеосигналів в ПК можуть підтримувати всі системи або тільки деякі з них.

2. Об'єднання комп'ютерної графіки і телевізійного зображення.

Вивід комп'ютерної графіки на екран звичайного телевізора представляє інтерес як засіб презентацій. Крім того, транслювати один і той же сигнал на декілька телевізорів простіше, ніж на дещо комп'ютерних моніторів. Ряд моделей сучасних графічних карт мають вихід телевізійного сигналу, причому незалежний від виходу на основний монітор. Є і перетворювачі форматів (наприклад, конвертор VGA-TV) у вигляді окремих зовнішніх пристроїв із стандартним інтерфейсом комп'ютерного монітора на вході і яким-небудь телевізійним сигналом на виході. В найпростішому варіанті конвертор тільки перетворить сигнали з КЗС в один з інтерфейсів телеприймача, але при цьому потрібна установка дозволу і частот синхронізації графічного адаптера, співпадаючих із стандартом телеприймача. Для ПК ці обмеження малоприємні, а іноді і нездійснимі.

Складніші конвертори мають власну буферну пам'ять, яка заповнюється знов оцифрованим відеосигналом, знятим з виходу графічного адаптера. На телевізійний вихід інформація з буфера видається вже з телевізійною частотою. Буфер може берегти одну, дещо або всі рядки екрану. Від цього залежать обмеження на режим дозволу і співвідношення частот регенерації графічного адаптера і телевізійного монітора (в останньому випадку вони взагалі можуть бути незв'язаними). Природно, ці варіанти сильно відрізняються по складності і ціні (конвертор з повноекранним буфером найдорожчий). Проте коли графічний адаптер виводить зображення, зміна якого прив'язана до кадрової синхронізації, що рухається, при неспівпаданні кадрових частот на телевізійному екрані рух спотворюватиметься. Загальною проблемою конверторів є необхідність боротьби з мерехтінням (flickering): оскільки в телеприймачах використовується відрядкова розгортка, горизонтальна смуга вширшки в піксель відображатиметься з частотою 25 або 30 Гц, що уловлюється оком.

Можливі і варіанти внутрішніх адаптерів (карт розширення), що підключаються до шини розширення ПК і внутрішнього роз'єму графічної карти (VFC або VAFC). Деякі моделі конверторів дозволяють накладати графічне зображення на зовнішній відеосигнал (наприклад, для створення титрів). Зважаючи на обмежену горизонтальну роздільну здатність телеприймачів (смуга пропускання ширше 5 Мгц для телевізора як такого безглузда), можливість заміни монітора телевізором для регулярної роботи сумнівна. В стандарті NTSC забезпечується дозвіл 640 х 480, в PAL і SECAM — 800 х 600. Проте такий дозвіл реально досяжно тільки при використовуванні інтерфейсу S-Video. Композитний сигнал, як було сказане вище, не забезпечує такого високого дозволу. Вихід телевізійного сигналу мали адаптери CGA і EGA, з приходом VGA цей інтерфейс на графічних картах застосовувати перестали. Проте на новому рівні розвитку техніки про інтерфейс з телевізійним приймачем знову пригадали. Microsoft рекомендує встановлювати на нових графічних картах окрім стандартного інтерфейсу VGA (RGB-Analog) вихід композитного сигналу і S-Video. Більш того, рекомендується передбачити можливість одночасної роботи VGA-монітора і TV-приймача, що не так-то просто забезпечити через відмінність параметрів синхронізації.

Набагато частіше використовують зворотне «схрещування» — вивід відеозображення на екран комп'ютерного монітора. Відеозображення виводиться у вікно, що займає весь екран або його частину. Оскільки вивід відео перекриває частину графічного зображення, такий спосіб виводу називають відеооверлеєм (Video Overlay), а плата, що забезпечує даний режим, називають видеооверлепными (overlay board). Ця плата дозволяє змінювати розмір вікна відео так само, як і розмір будь-якого вікна в Windows. В оверлейній платі для відеозображення є спеціальний «шар» відеопам'яті, незалежної від відеобуфера графічного адаптера. В цьому шарі міститься оцифроване растрове відображення кожного кадру відеосигналу. Оскільки для відеосигналу прийнятий колірний простір в координатах Y-U-V, в цьому шарі пам'яті пікселі також відображаються в цьому просторі, а не в Ч-З-С, властивому графічним адаптерам. В такій системі відеозображення, видиме на екрані монітора, що рухається, існує лише в оверлейному буфері, але ніколи не потрапляє у відеопам'ять графічного адаптера і не передається ні по яких внутрішніх цифрових шинах комп'ютера. У відеопам'яті графічного адаптера «розчищається» вікно, через яке «виглядає» відеозображення з оверлейного буфера. Деякий колір (комбінація біт RGB) приймається за прозорий. Оверлейна логіка порівнює колір чергового пікселя графічного буфера з цим прозорим, і якщо він співпадає, замість даного пікселя виводиться відповідний піксель відеооверлею. Якщо колір не співпадає з прозорим, то виводиться піксель з графічного буфера. Таким чином, маючи доступ до пікселів графічного буфера, можна на відеозображення накладати графіку для організації відеоефектів або виводів у відеовікні «спливаючих (PopUp) меню». Накладення проводиться на рівні потоку біт сканованих пікселів, який може передаватися в оверлейну плату через роз'єм Feature Connector . Оверлейна плата звичайно має декілька входів для джерел аналогового відеосигналу і программно-керовані засоби вибору одного з них. У складі такого пристрою звичайно є і фрейм-граббер (Frame Grabber) — засіб захоплення відеокадру. Його інша назва — Video Capture. По команді оператора зображення, що рухається, може бути миттєво зафіксовано в оверлейному буфері, після чого захоплений кадр може бути записаний на диск в якому-небудь графічному форматі для подальшої обробки і використовування.

Досконаліші пристрої дозволяють записувати в реальному часі послідовність відеокадрів, виконуючи їх стиснення методами M-JPEG, DVI або INDEO (MPEG-кодування вимагає дуже великих ресурсів для виконання перетворення в реальному часі).

Фрейм-граббер - це окремий пристрій, що підключається до джерела відеосигналу і якого-небудь інтерфейсу комп'ютера. В цьому випадку відеозображення спостерігається вже не на моніторі комп'ютера, а на звичайному телевізорі, підключеному до того ж джерелу відеосигналу або фрейм-грабберу. По команді оператора необхідний кадр фіксується в буферній пам'яті фрейм-граббера, звідки по інтерфейсу поступає в комп'ютер для обробки або(і) зберігання.

TV-тюнер — цей пристрій прийому відеосигналів з радіочастотного входу (антени), в поєднанні з оверлейною платою дозволяє проглядати телепрограми на звичайному моніторі комп'ютера. Тюнер може підтримувати стандарти перенесення кольорів PAL, SECAM і NTSC, але через неспівпадання стандартів на проміжну частоту звукового супроводу деякі карти не приймають звуковий супровід вітчизняних телеканалів.