Платы для работы с видео

Устройства ввода видеокадров в компьютер должны обеспечивать следующие потребительские свойства:

• прием низкочастотного видеосигнала (от видеокамеры, магнитофона или телевизионного тюнера);

• отображение принимаемого видео в реальном времени в масштабируемом окне среды Windows (SVGA–монитор можно использовать вместо ТВ для просмотра и контроля);

• замораживание кадра оцифрованного видео;

• сохранение захваченного кадра на винчестере или другом доступном устройстве хранения информации в виде файла в одном из принятых графических стандартов (*.TIF, *.TGA, *.PCX, .GIF и др.).

Эти видеоплаты называются захватчиками изображений, устройствами видеоввода, ТВ–грабберами (от английского grab — «захватывать»), имиджкепчерами (image capture — «захват изображения»), просто видеобластерами. Их принципиальная схема с определенными оговорками сводится к следующим базовым элементам, реализованным соответствующими наборами микросхем.

Первым и самым важным из них является видеодекодер, обеспечивающий прием сигнала с одного из видеовходов, его оцифровку, цифровое кодирование согласно телевизионному стандарту и передачу полученных данных следующему элементу — видеоконтроллеру.

Наиболее важными характеристиками видеодекодера являются:

• виды принимаемых низкочастотных видеосигналов;

• поддерживаемые телевизионные стандарты;

• частота и глубина оцифровки;

• возможность регулировки оцифрованного сигнала.

Низкочастотный телевизионный видеосигнал является композитным, то есть представляет собой результат сложения яркостного сигнала Y, двух цветовых поднесущих, модулированных сигналами цветности U и V, а также синхроимпульсов. Видеомагнитофоны и камеры классов VHS (Video Home System) и Video–8 работают только с композитными видеосигналами, при этом разрешение ограничено 240 телевизионными линиями. Кроме того, даже полный учет всех различий сигналов все равно не позволяет идеально разделить их. Поэтому более эффективным оказывается использование не единого композитного сигнала, а двух композитных сигналов Y/C: Y, как и ранее, несет яркостный сигнал и синхроимпульсы, а C (Chrominance) — модулированные цветовые сигналы. Такой сигнал называют S–Video (или S–VHS), он применяется при записи/воспроизведении в аппаратуре классов S–VHS и Hi–8. Считается, что при этом обеспечивается разрешение в 400 линий.

Следующим шагом к повышению качества является переход к компонентному сигналу YUV. Он используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и связан с поддержкой разрешения до 500 линий.

Полезной особенностью декодера является возможность регулировки принимаемого видеосигнала по яркости, насыщенности, контрастности и другим телевизионным параметрам. Это позволяет учитывать конкретные условия съемки и в определенных рамках компенсировать недостатки изображения до его сохранения. При этом визуальный контроль процесса настройки можно осуществлять по формируемому изображению в ТВ–окне SVGA–монитора.

Еще одной важной характеристикой декодера является глубина оцифровки, задаваемая числом бит на отсчет. Для получения полноценного изображения считается необходимым 16 млн цветовых оттенков (так называемый режим TrueColor — «реальные цвета»), что требует 8 бит на пиксель.

Таким образом, качественный декодер должен принимать с возможностью регулировки как композитный, так и S–Video–сигналы стандартов PAL/SECAM/NTSC и осуществлять их 8–битную оцифровку (обозначается YUV 4:2:2).

Видеоконтроллер выполняет ключевую роль в организации потоков оцифрованных данных между элементами видеоплаты. Он осуществляет необходимые цифровые преобразования данных (например, YUV в RGB, масштабирование) и организует их хранение в буфере памяти видеоокна — третьем элементе.

Необходимо отметить, что существует два варианта: буфер памяти под видеоокно может быть выделенным и располагаться на плате видеоввода или для буфера видеоокна может использоваться основная память видеоадаптера.

В завершение отметим, что различные режимы функционирования элементов видеоплат являются принципиально возможными, но их практическая реализация во многом зависит от эффективности и корректности управляющего программного обеспечения. ПО, например, определяет точность цветовой калибровки оцифрованных данных для различных ТВ–стандартов, поддерживаемые VGA–режимы и т. д.

Как организовано устройство захвата отдельных видеопоследовательностей. До сих пор мы рассматривали только задачу захвата и сохранения отдельных ТВ–кадров. Но нередко возникает необходимость оцифровки видеофрагмента продолжительностью от нескольких секунд до минут. Прямое решение поставленной задачи ввода видеопоследовательности пока не представляется возможным.

Дело в том, что кадр 768х576 в представлении YUV 4:2:2 требует 864 Кбайт, соответственно за 1 секунду (25 кадров) оцифровывается 21 Мбайт. К сожалению, реально достижимая скорость обработки данных на обычных PC значительно меньше. Снижения потока до достижимых величин можно достичь за счет следующих приемов: уменьшения размера кадров и числа цветов;уменьшения частоты кадров; использования компрессии видео.

Первые два являются наиболее очевидными, но приводят к резкому ухудшению визуального качества видео — действительно, трудно примириться с «дергающейся» картинкой этикеточного размера. Поэтому последний метод представляется наиболее эффективным. Существует множество различных алгоритмов видеокомпрессии: от сравнительно простых — как RLE, Cinepak до сложных — как Intel Indeo, M–JPEG и весьма изощренных — как фрактальный метод фирмы Integrated Systems.

Компрессия отдельных кадров без потери информации на реальных сюжетах, содержащих много мелких деталей и цветовых неоднородностей, обеспечивает коэффициент сжатия не более двух. Дальнейшее повышение компрессии неизбежно связано с потерей информации и определенным понижением качества: размыванием границ, искажением цветов, возникновением различного рода артефактов.

Общепризнанным стандартом сжатия отдельных кадров стал JPEG–алгоритм, основанный на разбиении изображения на блоки 8х8, их дискретном косинусном преобразовании и высокочастотной фильтрации полученного спектра. В результате на границах отдельных блоков нарушается гладкость представления, поэтому характерным признаком JPEG–изображения является его видимая блочная структура. Однако при коэффициенте сжатия не более 1:15 данные погрешности почти незаметны. Более того, считается, что сжатие до 1:5 (видеопоток 4—6 Мбайт/с) соответствует профессиональному качеству, обеспечиваемому видеоаппаратурой класса Betacam, а до 1:10 (видеопоток 2—3 Мбайт/с) — качеству, характерному для S–Video. Существенным достоинством данного алгоритма является его симметричность — восстановление производится обратным косинусным преобразованием и требует тех же ресурсов и временных затрат, что и компрессия.

Важной ступенью в развитии рассматриваемых устройств стала разработка и использование микросхем аппаратной компрессии, позволяющих в реальном времени захватывать и сжимать видео. Первым появился Intel Smart Video Recorder. Он построен на базе DVI–процессора Intel 82750PE, реализует алгоритм компрессии Intel Indeo и обеспечивает до 25 кадр/с при максимальном разрешении 320х240. Необходимо подчеркнуть, что декомпрессия Indeo–файлов выполняется программным способом. Иначе говоря, сжатое видео может быть проиграно на любом достаточно быстром компьютере.

Но к поистине революционному изменению мира цифрового видео привело появление недорогих микросхем M–JPEG–компрессии (фирм LSI Logic и Zoran), аппаратно реализующих JPEG–компрессию отдельных телевизионных полей 768х576 с частотой до 50 Гц в реальном масштабе времени. На их базе было создано множество доступных по цене видеоплат, позволяющих как записывать на винчестер, так и воспроизводить с него реальное видео с коэффициентами компрессии от 120 до 5. Это вызвало настоящий бум систем нелинейного монтажа, позволяющих захватывать отдельные видеофрагменты в PC, осуществлять их цифровое редактирование (а возможности современных программ Adobe Premiere 4.0 или Ulead MediaStudio 2.5 почти безграничны) и последующую склейку/вставку в исходный фильм.

Итак, при выборе устройства ТВ–ввода в первую очередь следует обращать внимание на следующие параметры: число поддерживаемых ТВ–систем рекомендуется PAL/SECAM, 1 вход композитный, 1 S–Video); точность оцифровки входного сигнала (рекомендуется YUV 4:2:2); физическое разрешение изображения (рекомендуется 768х576х16 млн цветов — TrueColor); размер внутреннего буфера памяти (если он есть) и ее организация (не менее 1 Мбайт при YUV 4:2:2); наличие аппаратных схем M–JPEG компрессии/ декомпрессии; возможность подстройки входного сигнала; наличие ограничений на размер ОЗУ компьютера, способ связи с SVGA (требование feature–коннектора); наличие ограничений на степень компрессии и на скорость передачи данных; поддерживаемые режимы просмотра видео в среде Windows (рекомендуется не меньше 800х600х64 тыс. цветов); визуальное качество оцифрованного изображения (точность цветопередачи, разрешение мелких деталей; лучше оценивать по тестам).

По каким критериям следует оценивать платы видеозахвата.