Плата оцифровки видео

Плата оцифровки видео (так же называется: захватчиком изображения, плата видео захвата, видеоплата, видеобластер, тв-граббер, имидж-кепчером) предназначена для захвата, оцифровки, а так же сложной обработки видео сигналов поступающих с одного или нескольких аналоговых источников.

Применение видеобластеров очень широко, начиная с любительского уровня и заканчивая киноиндустрией. Видеобластеры получили широкое распространение не только в киноиндустрии, но и в системах видеонаблюдения.

Ввидеобластер является одной из самых главных устройств во всех видео-системах где необходимо оцифровывать аналоговые видео-сигналы в цифровой формат.

1. Современное состояние плат оцифровки видео

Снизу приведено несколько примеров видеобластеров:

Профессиональный видеобластер для системы VideoNet. Видеобластер обеспечивает ввод видео сигналов от 8-и камер со скоростью до 200 кадров в секунду, занимая всего один PCI-слот. В один компьютер может быть установлено несколько видеобластеров TitanVN8 для параллельной обработки видеосигналов от более чем 8-и ТВ-камер.

В таблице № 1 указаны технические характеристики видеобластера TitanVN8, также на Рис. 1. показан внешний вид платы видеозахвата TitanVN8.

Таблица № 1. Технические характеристики видеобластера TitanVN8.

Рис. 1. Внешний вид платы видеозахвата TitanVN8.

Плата видеозахвата Tiny-VN4

4-х канальная плата видеозахвата для системы VideoNet.

В таблице № 2 описаны характеристики видеобластера Tiny-VN4, также на Рис. 2. показан внешний вид платы видеозахвата Tiny-VN4.

Таблица № 2. Технические характеристики видеобластера Tiny-VN4.

Рис. 2. Внешний вид платы видеозахвата Tiny-VN4.

Видеобластер PowerVN4.

Технические характеристики видеобластера PowerVN4 приведены в таблице № 3, внешний вид видеобластера PowerVN4 показан на Рис. 3.

Профессиональный видеобластер PowerVN4 для системы VideoNet. Видеобластер обеспечивает ввод видео сигналов от 4-х камер со скоростью до 100 кадров в секунду, занимая всего один PCI-слот. В один компьютер может быть установлено несколько видеобластеров PowerVN4 для параллельной обработки видеосигналов от более чем 4-х ТВ-камер.

Таблица № 3. Технические характеристики видеобластера PowerVN4.

Рис. 3. Внешний вид видеобластера PowerVN4.

2. Принцип действия и основные характеристики платы оцифровки видео С момента появления первого видеобластера (VideoBlaster) сингапурской фирмы Creative Labs, ознаменовавшего начало эры массового распространения устройств ввода телевизионных сигналов в PC и де-факто определившего стандарт на их функциональные возможности, считается, что подобные устройства должны обеспечивать следующие возможности.

Прием низкочастотного видеосигнала (от видеокамеры, магнитофона или телевизионного тюнера) на один из выбираемых программно видеовходов (не менее трех).

Отображение принимаемого видео в реальном времени в масштабируемом окне среды Windows (VGA-монитор можно использовать вместо телевизора).

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 ввода видео, ТВ-грабберами (grab — захватывать), имидж-кепчерами (image captureзахват изображения), просто видеобластерами.

Обобщенная структурная схема этих устройств состоит из четырех базовых элементов, реализованных соответствующими наборами микросхем (рис. 4).

Рис. 4. Обобщенная структурная схема видеобластера

Первым из них является видеодекодер, обеспечивающий прием сигнала с одного из входов, его оцифровку, цифровое декодирование согласно телевизионному стандарту и передачу полученных YUV-данных видеоконтроллеру. Видеоконтроллер выполняет ключевую роль в организации потоков оцифрованных данных между элементами видеоплаты. Он осуществляет необходимые цифровые преобразования данных (например, YUV в RGB, масштабирование), организует их хранение в буфере собственной памяти — третьем элементе видеоплаты, пересылку данных по шине компьютера при сохранении на винчестере, а также их передачу цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) с VGA-выходом. Последний совместно с видеоконтроллером участвует в формировании «живого» ТВ-окна на экране монитора VGA. Он выполняет обратное аналоговое преобразование цифрового захваченного изображения и в соответствии с ключевым сигналом, вырабатываемым видеоконтроллером, осуществляет передачу VGA-сигнала от VGA-адаптера, либо RGB-сигнала из буфера памяти на монитор.

Рассмотрим работу этих элементов более подробно. Наиболее важными характеристиками видеобластера являются:

Формат принимаемых низкочастотных видеосигналов Поддерживаемые телевизионные стандарты

Частота и глубина оцифровки Возможность регулировки оцифрованного сигнала.

Входы видеобластеров.

Ранние модели видеобластеров были основаны на декодере Philips SAA9051 и имели три композитных входа, в то время как в современных видеоплатах нормой считается наличие одного S-Video (рис. 5.) и двух композитных входов, поддерживаемых, например, декодером Philips SAA7110. Для S-Video он обеспечивает параллельную оцифровку Y и С-сигналов. Если SAA9051 «понимает» сигналы только стандартов PAL/NTSC, то SAA7110 позволяет декодировать и SECAM. Более того, он имеет встроенную схему автоматического распознавания системы кодирования сигналов цветности.

Рис. 5. Назначение контактов разъёма S-video.

Полезной особенностью декодера является возможность регулировки принимаемого видеосигнала по яркости, насыщенности, контрастности.

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 видеоизображению в окне VGA-монитора.

2.1 Карты ввода/вывода видеосигналов и их характеристики До сих пор мы рассматривали только задачу захвата и сохранения отдельных ТВ-кадров. Но для того чтобы сделать кинофильм или видеоролик, необходима оцифровка видеофрагмента. Прямое решение поставленной задачи ввода видеопоследовательности пока не представляется возможным. Дело в том, что кадр 768×576 в представлении YUV 4:2:2 занимает объем 864 Кбайт (в RGB 8:8:8 — 1296 Кбайт), соответственно за 1 с (25 кадров) объем оцифрованных данных составит 21 Мбайт (32 Мбайт), а для записи одной минуты видеофрагмента потребуется винчестер емкостью не менее 1 Гбайт. Разумеется, проблема заключается не только в объеме поступающей информации, но и в скорости ее передачи (при записи) и считывания (при воспроизведении). К сожалению, реально достижимая скорость записи/считывания видео на современных винчестерах составляет 2—4 Мбайт/с, хотя в специальных системах скорость приближается к 7 Мбайт/с.

Таким образом, при оцифровке видеофрагмента существуют две проблемы:

Скорость обмена данными Уменьшение потока данных

Первая проблема решается путем разработки новых быстродействующих накопителей данных. Вторую сложно решить за счет следующих приемов:

Уменьшения размера кадров до 160×120 и числа цветов до 256

Уменьшения частоты кадров до 6—12 кадров/с Использования компрессии видео

Первые два являются наиболее очевидными, но приводят к резкому ухудшению визуального качества видео. Последний метод является наиболее эффективным.

Видеобластер, оборудованный средствами компрессии видео, в комплексе с программным обеспечением превратит PC в систему нелинейного монтажа. Такие устройства будем называть картами ввода/вывода видеосигналов (далее — картой ввода/вывода).

2.2 Компрессия Этот параметр один из наиболее важных, определяющих качество оцифровки видеосигнала платой, поэтому расскажем о нем подробнее. Полный поток видеоданных слишком велик, чтобы быть записанным напрямую (если использовать для записи один жесткий диск), и для его уменьшения применяют сжатие (компрессию). Естественно, при этом снижается качество видеоматериала, поэтому чем меньше сжатие, тем лучше качество, но тем больше места на диске занимает каждый кадр, поэтому нужно найти приемлимый компромисс. Чтобы лучше разобраться с этим параметром необходимо знать следующее: Один видеокадр стандарта PAL полного разрешения содержит 768×576=442 368 точек. В большинстве современных плат используется кодировка выборкой 4:2:2 YUV. При этом яркости сигнала (Y) соответствует 8 бит и по четыре бита приходится на каждую из цветоразностных составляющих (U и V), всего получается 16бит (2 байта) на точку. Значит один кадр занимает 442 368×2=884 736Байт=0.84 375МБайт. Поскольку в стандарте PAL используется частота 25 кадр/с, то полный поток некомпрессированных видеоданных составит 0.84 375×25=21.1МБайт/с, а для стандарта NTSC — 17.6Мбайт/с. На эту разницу следует обратить внимание, поскольку фирмы — производители обычно указывают минимальную компрессию для стандарта NTSC, а так как поток там меньше, то и степень компрессии ниже.

Если данные о компрессии не доступны, то о ней можно судить косвенно — по максимальному потоку или по объему видео, помещающегося на 1 Гбайт, для чего можно воспользоваться формулой Ккомпр = 21.1 / P (где Ккомпр — коэффициент компрессии P — поток для данной платы, МБайт/с) или таблицей № 4:

Таблица № 4. Сравнение степени компрессии.

Данные конечно приблизительные, но параметры большинства плат оцифровки не должны отличаться от них более чем на 5−10%. Сейчас существует несколько плат, с помощью которых можно записывать видео в цифровой форме без компрессии. Все они используют встроенные сдвоенные контроллеры и требуют для работы минимум четыре жестких диска AV (AudioVideo) формата SCSI (WIDE SCSI). При современной цене на эти диски область применения таких плат довольно узка. Из-за большой стоимости хранения одной минуты видеоматериала без сжатия (примерно 350 $), такие платы могут применяться, в основном, для высококачественного сброса компьютерной графики и монтажа коротких видеофрагментов (рекламные ролики, клипы, заставки и т. п.)

2.3 Линейный монтаж и нелинейный монтаж Линейный монтаж происходит чаще в реальном времени (структурная схема линейного монтажа приведена на рис. 3.). Видео из нескольких источников (видеомагнитофонов, камер т. д.) поступает через коммутатор на приёмник (эфирный транслятор, записывающее устройство). В этом случае переключением источников сигнала занимается режиссёр линейного монтажа. О линейном монтаже также говорят в случае процесса урезания сцен в видеоматериале без нарушения их последовательности.

Рис. 6. Линейный монтаж на телевидении.

При нелинейном монтаже видео или кинопленка (которая может быть отсканирована и переведена в цифровой вариант) разделяется на фрагменты, после чего фрагменты записываются в нужной последовательности, в нужном формате на выбранный видеоноситель. При этом фрагменты могут быть урезаны, то есть не весь исходный материал попадает в целевую последовательность; подчас сокращения бывают очень масштабными. При линейном монтаже исходный материал (результат собственно видеосъемок) находится на видеокассете, и, для того чтобы найти необходимый кадр, приходится перематывать пленку, что изнашивает дорогостоящие монтажные аппараты и отнимает не менее дорогостоящее монтажное время. При этом фрагменты могут быть урезаны, то есть не весь исходный материал попадает в целевую последовательность; подчас сокращения бывают очень масштабными.

В случае киноплёнки процесс нелинейного монтажа происходит вручную: монтажёр с применением монтажного стола под руководством кинорежиссёра режет плёнку в нужных местах, а затем склеивает фрагменты в выбранной режиссёром последовательности.

Рис. 7. Нелинейный монтаж на компьютере.

Гибридный видеомонтаж имеет достоинства первых двух (нелинейная видеомонтажная система играет роль видеоисточника). Недостаток — более высокая цена.

В случае нелинейного монтажа (структурная схема нелинейного монтажа приведена на рис. 4.) весь материал находится на жестком диске, в результате чего обеспечивается произвольной доступ к необходимому кадру. И это еще без учета возможностей цифровой обработки изображения, которые предоставляет пользователю современное программное обеспечение. А возможности эти практически безграничны: моделирование объектов, спецэффекты, фильтры, титры и т. п.

В 1917 году Лев Кулешов написал о монтаже: «Для того, чтобы сделать картину, режиссер должен скомпоновать отдельные снятые куски, беспорядочные и несвязные, в одно целое и сопоставить отдельные моменты в наиболее выгодной, цельной и ритмической последовательности, также, как ребенок составляет из отдельных, разбросанных кубиков с буквами целое слово или фразу».

Сжатие видео — уменьшение количества данных, используемых для представления видео потока. Сжатие видео позволяет эффективно уменьшать поток, необходимый для передачи видео по каналам радиовещания, уменьшать пространство, необходимое для хранения данных на носителе. Недостатки: при использования сжатия с потерями появляются характерные, иногда отчётливо видные артефакты — например, блочность (разбиение изображения на блоки 8×8 пикселей), замыливание (потеря мелких деталей изображения) и т. д. Существуют и способы сжатия видео без потерь, но на сегодняшний день они уменьшают данные недостаточно. Анализ качества изображений — если и существует инструмент для оценки качества изображения, который можно считать эталоном, то это безусловно система PQA-200 фирмы Tektronix, предназначенная для отработки изделий перед их выпуском на рынок. Поэтому именно этой системой мы воспользовались для тестирования плат оцифровки, представленных в обзоре. (Подробнее о PQA-200 см. врезку «Как измеряют качество изображений».) Единственная проблема при работе с PQA-200 состоит в том, что выдаваемые ею оценки могут вначале ввести в заблуждение. PQA-200 генерирует некомпрессированную видеопоследовательность, которая записывается в исследуемую систему. Выходная последовательность системы подается обратно на PQA-200, где она сравнивается с оригиналом по каждому полю и каждому пикселю. С помощью алгоритма, разработанного на основании многолетних исследований, проводившихся в Sarnoff Corporation, PQA-200 определяет различия в качестве изображений с точки зрения усредненного зрителя. Конечный результат — параметр PQR, показывающий степень соответствия записи оригиналу. Значит, теперь мы можем раз и навсегда определить бесспорно лучшую систему? К сожалению, нет. Оценки PQR могут ввести в заблуждение, если их неправильно интерпретировать. И как раз поэтому мы не пытались собрать все оценки на одной диаграмме, чтобы не возникало соблазна сравнивать рейтинги PQR для разных систем. Пока вы помните о том, что оценка PQR не является абсолютной мерой качества, все в порядке. На самом деле это относительная мера различия между «до» и «после». Иначе говоря: когда по телевизору показывают рекламу диетического средства, нетрудно оценить фотографии, сделанные «до» и «после», по числу килограммов веса, сброшенных за время диеты. Однако не имеет смысла на основании этой цифры решать, кто на фотографиях «до» самый красивый. Оценки PQR позволяют установить различие между «до» и «после» для каждой конкретной модели оборудования, но, чтобы сравнивать характеристики разных моделей, данные «до» должны быть одинаковыми для моделей A и B — иначе сравнение не имеет смысла. Поэтому вам придется самостоятельно провести аналитическую работу. Ряд выводов можно сделать на основании приведенных в обзоре цифр — постарайтесь внимательно в них разобраться. Но несомненно гораздо больше вы сможете выяснить в результате собственного анализа. Будьте осторожны, сравнивая разные системы и форматы. Видео — это по существу трёхмерный массив цветных пикселей. Два измерения означают вертикальное и горизонтальное разрешение кадра, а третье измерение — это время. Кадр — это массив всех пикселей, видимых камерой в данный момент времени, или просто изображение. В видео возможны также так называемые полукадры (см.: чересстрочная развёртка).

Сжатие было бы невозможно, если бы каждый кадр был уникален и расположение пикселов было полностью случайным, но это не так. Поэтому можно сжимать, во-первых, саму картинку — например, фотография голубого неба без солнца фактически сводится к описанию граничных точек и градиента заливки. Во-вторых, можно сжимать похожие соседние кадры. В конечном счёте, алгоритмы сжатия картинок и видео схожи, если рассматривать видео как трёхмерное изображение со временем как третьей координатой. Сжатие без потерь. Помимо сжатия с потерями видео также можно сжимать и без потерь.

Это означает, что при декомпрессии результат будет в точности (бит к биту) соответствовать оригиналу. Однако при сжатии без потерь невозможно достигнуть высоких коэффициентов сжатия на реальном (не искусственном) видео. По этой причине практически всё широко используемое видео является сжатым с потерями. В частности HD DVD и Blu-ray диски и спутниковое вещание также содержат и передают видео, сжатое с потерями.

Сжатие видео и технология компенсации движения Одна из наиболее мощных технологий позволяющая повысить степень сжатия — это компенсация движения. При любой современной системе сжатия видео последующие кадры в потоке используют похожесть областей в предыдущих кадрах для увеличения степени сжатия. Однако, из-за движения каких-либо объектов в кадре (или самой камеры) использование подобия соседних кадров было неполным. Технология компенсации движения позволяет находить похожие участки, даже если они сдвинуты относительно предыдущего кадра. Современное состояние дел — на сегодня практически все алгоритмы сжатия видео (например, стандарты, принятые ITU-T или ISO) используют дискретное косинусное преобразование (DCT) или его модификации для устранения пространственной избыточности. Другие методы, такие как фрактальное сжатие и дискретное вейвлет-преобразование, также были объектами исследований, но сейчас обычно используются только для компресcии неподвижных изображений.

Использование большинства методов сжатия (таких, как дискретное косинусное преобразование и вейвлет-преобразование) влечёт также использование процесса квантования. Квантование может быть как скалярным, так и векторным, тем не менее, большинство схем сжатия на практике используют скалярное квантование вследствие его простоты.

Современное цифровое телевещание стало доступным именно благодаря видео-компрессии. Телевизионные станции могут транслировать не только видео высокой четкости (HDTV), но и несколько телеканалов в одном физическом телеканале (6 МГц).

Хотя большинство видео контента сегодня транслируется с использованием стандарта сжатия видео MPEG-2, тем не менее новые и более эффективные стандарты сжатия видео уже используются в телевещании — напримерH.264 и VC-1. Сейчас развитие видеоподсистемы идет сумасшедшими темпами, и зачастую видеоадаптеры диктуют моду мониторам, однако на рассвете компьютерной эпохи все было совсем наоборот. Так откуда же «выросла» эта железка, которая в настоящее время по стоимости может поспорить с процессором? Первые мониторы, являвшиеся наследниками осциллографов, были векторными и не предполагали наличие видеоадаптера, ведь в них изображение строилось не посредством последовательного облучения электронным пучком экрана строка за строкой, а, так сказать, «от точки до точки». Компьютер управлял отклоняющей системой дисплея напрямую. Однако когда вывод на монитор пришел на смену выводу на телетайп, и сложность изображения увеличилась, целесообразнее стало подключить компьютер к телевизору. По этому пути развития и пошли дальше мониторы. Телевизионное изображение — растровое, поэтому возникла необходимость в промежуточных блоках для подготовки графической информации к отображению. Для построения картинки теперь требовались специализированные довольно ресурсоемкие вычисления, поэтому понадобились специальные устройства, ориентированные на работу с растровыми мониторами, которые могли бы хранить в себе видеоинформацию, обрабатывать ее и переводить в аналоговую форму для отображения на дисплее. Основной технологией здесь можно считать frame-buffer…

В этой работе будет рассмотрена задача преобразования видеозаписи на каком-либо аналоговом носителе (ТВ-трансляция, видеокассета VHS, S-VHS и т. п.) или на ненадёжном цифровом (цифровая видеокассета) в набор файлов на жёстком диске компьютера, которые потом можно записать на CD или DVD. При этом во главу угла будет ставиться простота технологии, дешевизна необходимой аппаратуры, а лишь потом качество результата и скорость выполнения процесса. Рассматриваемая методика подготовлена для непрофессионального использования. Такие методы как «обработка видео в реальном времени» не обязательны в рамках поставленной задачи, потому рассматриваться не будут. Системы телевидения-одним из важных показателей платы является то, в какой системе телевидения она может работать. Лучше всего, чтобы плата была мультисистемной, то есть поддерживала бы PAL, NTSC и SECAM. Однако надо учитывать (особенно при покупке за рубежом), что некоторые платы имеют свою версию для каждой из систем, в этом случае надо естественно, брать PAL-версию. Небольшое количество плат поддерживают простейшие функции транскодирования, однако качество преобразования чаще всего оставляет желать лучшего. Виды сигналов. Следующая важная характеристика — с какими видами сигналов работает плата. Здесь выбор зависит прежде всего от имеющейся у вас видеоаппаратуры. Например если вы работаете со стандартом S-VHS, нет смысла переплачивать за компонентные (YUV/RGB) входы/выходы, наверняка можно найти более приемлимое решение. Некоторые платы имеют версию с S-Video входами с возможностью upgrade до компонентной или цифровой (как правило D1) версии и, если вы расчитываете на перспективу, это может стать неплохим выбором. Отдельный разговор — о формате DV. Многие фирмы выпустили недорогие видеокамеры этого формата, но в данном случае имеет смысл говорить лишь о тех, которые поддерживают стандартный интерфейс IEEE 1394 FireWare. Для того, чтобы вводить в компьютер данные в цифровой форме, сушествует два готовых решения. реальных времен", кроме того из-за рекомпрессии возможно некоторое падение качества. После этого видеоматериал можно обработать на компьютере и сбросить на ленту уже в аналоговой форме. Такая конфигурация хорошо подходит тем, у кого уже есть плата видеозахвата. Второе решение более предпочтительно, хотя может оказаться несколько дороже — приобрести плату видеозахвата, которая уже имеет интерфейс FireWare и может непосредственно работать в формате DV, то есть осуществлять ввод/вывод и нелинейный монтаж в этом формате. В этом случае конвертации и рекомпрессии не требуется. На момент написания статьи на рынке была доступна только одна такая плата и, по крайней мере две должны были появиться в ближайшее время. Режим overley. Если плата поддерживает этот режим, то вы можете просматривать «живое» полноэкранное видео на компьютерном мониторе. Данная возможность позволяет сделать работу более простой и наглядной, кроме того отпадаает необходимость постоянно пользоваться видеомонитором (или телевизором) для просмотра видеоматериала. Запомните — оверлей должен быть «чистым» — без подёргиваний и стробирования. Если такой режим есть, следует узнать, при каких разрешениях и с какими графическими адаптерами он обеспечивается, иначе возможно, понадобится менять SVGA-карту. Звуковые возможности — естественно, вы хотите оцифровывать видео совместно со звуком. В недорогих платах видео захвата для этой цели требуется использовать отдельную звуковую карту, которая, впрочем сегодня имеется в большинстве компьютеров. При этом могут иногда возникать проблемы с синхронизацией звук-видео (обычно при воспроизведении звук постепенно опережает видео). Чтобы этого не случилось, необходимо узнать с какими именно звуковыми картами нормально работает данная плата захвата видео. Некоторые из них имеют специализированную звуковую плату, поставляющуюся отдельно. Конечно лучше всего, если звук встроен в саму плату видеозахвата, тогда большинство проблем снимается.

видеобластер плата оцифровка

3. Интерфейс платы видеозахвата В современных видеобластерах используются интерфейсы PCI, PCI Express, а также PCI Express 2.0. Высокая пиковая производительность шины PCI Express позволяет использовать её вместо шин AGP и тем более PCI и PCI-X.

3.1 Интерфейс PCI и PCI Express

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O; не путать с PCI-X и PXI) — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

В отличие от шины PCI, использовавшей для передачи данных общую шину, PCI Express, в общем случае, является пакетной сетью с топологией типа звезда, устройства

PCI Express взаимодействуют между собой через среду, образованную коммутаторами, при этом каждое устройство напрямую связано соединением типа точка-точка с коммутатором.

Кроме того, шиной PCI Express поддерживается:

горячая замена карт;

гарантированная полоса пропускания (QoS);

управление энергопотреблением;

контроль целостности передаваемых данных.

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfinitiBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года.

Шина PCI Express нацелена на использование только в качестве локальной шины. Так как программная модель PCI Express во многом унаследована от PCI, то существующие системы и контроллеры могут быть доработаны для использования шины PCI Express заменой только физического уровня, без доработки программного обеспечения.

Распиновка контактов слота PCI Express.

PCI-E является последовательной шина, которая использует две низковольтных дифференциальных пары LVDS, в 2,5 Гбит / с в каждом направлении (одной передачи, и один получает пару). PCI Express поддерживает 1x (2,5 Гбит), 2x, 4x, 8x, 12x, 16x, 32x, ширины шины (приема / передачи). Дифференциальные контакты (Lanes), перечисленные в контактных таблицах: № 5, № 6 и № 7.

Таблица № 5. Распиновка конекторов слота PCI-Express 1x.

Таблица № 6. Распиновка конекторов слота PCI-Express 4x.

Таблица № 7. Распиновка конекторов слота PCI-Express 8x.

Таблица № 8. Распиновка конекторов слота PCI-Express 16x.

Интерфейс PCI Express находится на рынке уже почти четыре года, и сегодня как раз происходит постепенный переход на второе поколение. PCIe 2.0 эффективно удваивает пропускную способность и обеспечивает лучшую гибкость, сохраняя совместимость с PCIe 1.1. Когда стандарт PCI Express впервые появился, он обеспечивал большую пропускную способность, гибкость и масштабируемость, чем стареющий интерфейс AGP, и позволил графическим компаниям ATI и nVidia создать решения на основе нескольких видеокарт для более мощного ускорения 3D-графики и улучшения качества. Второе поколение шины PCI Express вышло вместе с чипсетом для энтузиастов Intel X38, а затем появилось и на чипсетах Intel X48, AMD 790/770 и nVidia nForce 7. Но нужен ли PCI Express 2.0 сегодня?

Разница в производительности между технически схожими платформами практически исчезла, в результате чего основными отличительными факторами остались функциональность и возможности разгона. Если производитель материнских плат не ошибётся в отладке своего продукта, то две материнские платы на одинаковом чипсете будут давать равную производительность при работе в одинаковых условиях. PCI Express 2.0 сегодня поддерживает только последнее поколение чипсетов, но на рынке продаётся множество других моделей, которые дают такую же производительность и сравнимый набор функций. Однако PCI Express 2.0 даёт в два раза большую пропускную способность, чем PCI Express 1.1, удвоив её с 250 Мбайт/с до 500 Мбайт/с на линию (в одном направлении). Поэтому интерфейс x16 PCI Express даёт такую же пропускную способность, что и PCI Express 2.0×8. Чтобы выиграть от более высокой пропускной способности, стандарт PCIe 2.0 должны поддерживать как материнская плата, так и видеобластер.

Слоты PCI и PCI Express 2.0 показаны на Рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид слотов PCI Express 2.0 и PCI Express 1x.

Слоты PCI Express 1.1 и 2.0 механически идентичны. Верхний слот имеет 164 контакта, которые требуются для интерфейса x16 PCI Express, а нижний слот — 36 контактов для PCI Express x1. Если PCI представляла собой 32- или 64-битную параллельную шину, пропускная способность которой разделялась между всеми подключёнными устройствами, то PCI Express — последовательный интерфейс на основе связей «точка-точка». Это означает, что вся доступная пропускная способность выделяется исключительно одному устройству, а несколько подключений отрабатывается через коммутацию PCI Express на контроллере, подобно тому, как работают коммутаторы Ethernet. Несмотря на существенное отличие по сравнению с параллельной шиной PCI, интерфейс PCI Express программно совместим с PCI, то есть любая операционная система, поддерживающая шину PCI, будет работать и с PCI Express. Одна линия PCI Express использует две пары соединений, работающих на тактовой частоте 2,5 ГГц. С помощью кодирования 8/10 битов (то есть по шине проходит 10 битов, из которых только 8 используются для передачи полезных данных) одна линия PCI Express обеспечивает чистую пропускную способность 250 Мбайт/с в одном направлении. Поскольку у линии две пары, то такую пропускную способность вы получите как в прямом, так и в обратном направлении. PCI Express может обеспечить и намного большую пропускную способность, используя несколько линий. Так, x8 PCI Express использует восемь линий, которые дают пропускную способность 4 Гбайт/с (сумма по двум направлениям), что в восемь раз больше, чем у одной линии. А интерфейс x16 PCI Express, который стал де-факто стандартом для видеокарт, даёт пропускную способность 8 Гбайт/с (суммарную).

Стандарт PCI Express 2.0 удвоил базовую частоту до 5,0 ГГц, что привело к увеличению пиковой пропускной способности до 16 Гбайт/с у x16 PCI Express (в сумме по двум направлениям). В нашей статье мы найдём ответ на вопрос, нужен или нет новый стандарт для современных видеокарт. Но одно можно сказать точно: PCI Express 2.0 обеспечил производителям большую гибкость. Поскольку четыре линии PCI Express 2.0 дают такую же пропускную способность, как восемь линий PCI Express 1.1, то вполне можно прокладывать такое же количество дорожек, удваивая пропускную способность, или оптимизировать энергопотребление, переходя с PCIe 1.1 на 2.0 и уменьшая число дорожек в два раза. Кроме того, PCI Express 2.0 поддерживает и скорости 1.1, что позволяет ещё больше экономить энергию, понижая рабочую частоту с 5,0 до 2,5 ГГц, когда высокая пропускная способность не требуется. Если PCI Express 2.0 правильно реализован, то он автоматически распознаёт ширину подключения (от одной до 16 линий) и скорость (2,5 или 5 ГГц). Это также означает, что видеокарты PCI Express 2.0 совместимы с материнскими платами PCIe 1.1: они попросту будут использовать скорость интерфейса 2,5 Гбайт/с.

Ещё одно различие между PCI Express 1.1 и 2.0 заключается в максимальной энергии, которую можно подавать на видеокарты PCI Express (PEG). Раньше она составляла 75 Вт плюс 75 Вт через вилку дополнительного питания PCI Express 1.1, но PCIe 2.0 поддерживает вплоть до 300 Вт, если интерфейс правильно реализован на материнской плате. Проектировщики видеокарт по-прежнему предпочитают использовать гнёзда дополнительного питания, но блоки питания, совместимые с PCI Express 2.0, дают дополнительную 8-контактную вилку, помимо обычной 6-контактной, которая появилась в момент выхода PCIe в 2004 году.

4. Конструкция плат оцифровки видео Плата оцифровки видео-это плата изготовленная из многослойного текстолита, на котором распаяны чип, память и обвязка, установлена система охлаждения. Ныне существующие чипы уже имеют поддержку видеовыхода, второго выхода на монитор, поэтому, как правило, дополнительные чипы на платах отсутствуют, за исключением карт с VIVO (видеовход, видеовыход) и карт с ТВ-тюнером на борту (что большая редкость). Каждый производитель видеокарт сам решает, какую память и от какого производителя ему использовать в своих изделиях. Это не добавляет лёгкости ремонта; в случае выхода памяти из строя приходится тщательно подбирать варианты. Обвязка и текстолит, как правило, наименее уязвимые элементы видеосистемы, им страшны в основном механические повреждения, наносимые неаккуратными пользователями, любящими регулярно лазить в компьютеры и умудряющимися сносить электролитические конденсаторы, катушки (видимо имеются в виду дроссели), сдирать контакты с разъёма видеобластера.

Входы видеобластеров.

Ранние модели видеобластеров были основаны на декодере Philips S/ имели три композитньгх входа, в то время нормой считается наличие одного S-Video и двух композитных входов поддерживаемых, например, декодером Philips SAA7110. Для S-Video он. читает параллельную оцифровку Yи С-сигналов. Если SAA9051 пои сигналы только стандартов PAL/NTSC, то SAA7110 позволяет декод SECAM. Более того, он имеет встроенную схему автоматического pacitt ния системы кодирования сигналов цветности.

Полезной особенностью декодера является возможность регулировки снимаемого видеосигнала по яркости, насыщенности, контрастности позволяет учитывать конкретные условия съемки и в определенных компенсировать недостатки изображения до его сохранения. При этом канальный контроль процесса настройки можно осуществлять по формирует видеоизображению в окне VGA-монитора. Частота оцифровки видеосигнала Частота оцифровки видеосигнала определяет получаемое разрешение ризонтали. В теории цифровых стандартов кодирования за базовую принимается 3,375 МГц, а частоты оцифровки составляющих определением умножением базовой частоты на соответствующую цифру в обозначает стандарта. Так, запись 4:1:1 означает, что результирующая частота оценки сигнала яркости составляет 3,375×4=13,5 МГц, а сигналов цветне четыре раза ниже. При этом сам декодер, осуществляющий разлс входного электрического сигнала на составляющие YUV уже после ровки, должен выполнять выборку из аналогового ТВ-сигнала в дв чаще — с частотой 27 МГц. Однако при этом элемент изображения неквадратным. Дело в том, что в телевидении в качестве стандарта отношение ширины элемента телевизионного изображения к его выс 4:3. Чтобы сохранить соотношение сторон изображения, предотвра явления геометрических искажений и при этом сохранить элемент из жения в виде квадрата при 576 активных телевизионных строках, нес МО в каждой строке вьщелить 768 элементов. При частоте дискретизации 13,5 МГц, соответствующей рекомендации МККР (CCIR) 601, будет всего 702 элемента, а для 768 частота должна быть увеличена примерно Jo 14,77 МГц (рис. 9.) разложения (пиксел).

Телевизионная строка — обратный ход луча по строкам длительностью 12 мкс (на время строчного гасящего импульса) Обратный ход луча по полям длительностью, равной длительности гасящего импульса полей) Активная часть строки 64 — 12 — 52 мкс Строчный гасящий импульс 12 мкс Количество элементов разложения при частоте 14,77 МГц равно 768

Рис. 9. Выбор частоты дискретизации видеосигнала.

Отношение количества элементов разложения (пикселов) по горизонтали и вертикали: 768:576 = 4:3

Глубина оцифровки.

Еще одной важной характеристикой декодера является глубина оцифровки, задаваемая числом бит на отсчет. Для получения полноценного изображения считается необходимьии.16 млн цветовых оттенков (так называемый режим true color — реальные цвета), что требует 8 бит на элемент изображения каждой составляющей видеосигнала. Таким образом, качественный декодер должен принимать с возможностью регулировки как композитный, и S-Video-сигналы стандартов PAL/SECAM/NTSC и осуществлять их битную Оцифровку 4:2:2 на частоте 14,75 МГц. Все это обеспечивают, например, Philips SAA7110 или Brooktree Bt819A.

видеоконтроллер выполняет роль интеллектуального диспетчера передаваемых потоков цифровых данных. В первую очередь, он отвечает за организа-1 Их хранения в буфере памяти видеобластера. Данные могут храниться в RGB-, так и в YUVпредставлении. Более эффективной являетсяКодировка, при которой для хранения одного элемента изображения (jjj*04Ho 2 байт (при оцифровке 4:2:2 отводится один байт для кодировала сигнала яркости и по 4 бита для кодирования сигналов цветности). В то L Bpejj, gQ многих устройствах используется RGB-представление, при котором для обеспечения режима True Color необходимо уже 24 бита мент — по 8 бит на каждую составляющую. Обычно такую кодировок означают RGB 8:8:8. Если же, как и ранее, ограничиться 16 битами, пользуют кодировку 5:6:5, соответствующую 64 тыс. цветовых оттенков режима High Color

Организация хранения элементов изображения Хранение элементов изображения организовано в виде матрицы, на 512×512, 1024×512 или 1024×1024. В зависимости от конкретного размер буфера памяти может меняться от 256 Кб до 2 Мб (табл. и в то же время при одном и том же размере буфера эффективность преобразования памяти может быть различной. Таким образом, даже если дек обеспечивает оцифровку входного видеосигнала без ухудшения качества объем памяти недостаточен, результирующее изображение окажется не венным (размытые детали, цветовые пятна и т. д.). как 1024×512 и достаточна для размен в ней 768 элементов строки, но частота оцифровки 13,5 МГц, то формирующий размер изображения не может быть более 702×512. Впрочем, видеосигнала многих бытовых видеокамер столь невысоко, что возлагать за плохое качество захваченного изображения только на видеобластер.

Таблица № 9. Зависимость размера буфера памяти от способа кодирования.

Формирование живого окна — итак, видеоконтроллер, принимая оцифрованы сигнал от декодера, прежде всего осуществляет преобразование его кодировки, например YUVj в RGB 5:6:5, то есть переход от 16 млн цветов к 64 тыс. с помощью специального механизма true-color dithering. Далее контроллер позиционирует вырезает из массива цифруемых данных участок, который реально м быть размещен в памяти (например, 512×512 из 768×576), — либо выб вая лишние строки и столбцы, либо путем интерполяции, масштаб

g изображение до нужного размера — и теряя в обоих случаях информацию Эти операции контроллер выполняет с каждым кадром, обновляя. [g 40 мс содержимое памяти. Режим обновления (захват изображения) косается только по специальной команде. Одновременно с этим контроллер постоянно считывает данные из буфера с целью их передачи на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) Д1тя формирования ТВ-окна с живым видео.

Кпоме цифрового сигнала от контроллера, ЦАП принимает аналоговый RGB-сигнал с выхода VGA-адаптера и осуществляет переключение между ними в соответствии со значением (О или 1) специального ключевого сигнала (кеу-сигнала). Именно этим сигналом определяется положение живого окна на экране монитора. Кеу-сигнал формируется контроллером. В предыдущих моделях видеобластеров для этого анализа видеоадаптер должен был получать цифровые VGA-значения через специальный 26-контактный разъем Feature Connector. К сожалению, у многих дешевых видеоадаптеров подобный разъем отсутствует. В современных видеобластерах анализ VGA-сигнала производится уже в аналоговой форме, что снимает требование на наличие разъема Feature Connector.

Наконец, контроллер передает оцифрованные данные на шину компьютера. Эта операция, выходящая за пределы видеобластера, выполняется под управлением CPU.

Вышеописанные режимы функционирования элементов видеобластеров являются принципиально возможными, но их практическая реализация во многом зависит от эффективности работы управляющего программного обеспечения (драйвера), которое, например, определяет точность цветовой калибровки оцифрованных данных для различных телевизионных стандартов, поддерживаемые VGA-режимы Windows и фафические форматы сохраняемых файлов. Нередко это приводит к существенным отличиям реальных характеристик видеобластеров разных производителей. В то же время за счет программных ухищрений можно достичь иллюзии более высоких характеристик, чем это реально обеспечивается. Так, многие видеобластеры, обладая памятью объемом только 512 Кб и не обеспечивая захвата полноразмерного телевизионного изображения, программным масштабированием при охранении его в файле растягивают изображение до размера 800×600. Примеры реализации: всё вышесказанное касается основного класса видеобластеров. Кроме при-Денных в табл. 14.2 (от Video Blaster SEIOO до Aver Video Commander 3) y°*Ho упомянуть также Video Blaster FS-200, Grand Video Pro, Genius High So, Malifax Movie Vision и многие другие (в данной книге невозможно перечислить все тайваньские и сингапурские фирмы, занимающиеся производствомmultimedia-карт).

Очевидно, существуют и иные схемотехнические решения. В первую очередь здесь следует отметить устройства видеозахвата, совмещенные с видеоадаптерами (например, miroVideo 20TDLive, Diamond Mi Video Blaster DTVI100 или Prolink PV-CL 5446P+) и использующие ме разделения общую память (для качественной работы требуется 2 Мб), но с точки зрения результирующего качества захвата они уступают специализированным видеобластерам. В качестве характерного примера видеобластера можно привести известной французской фирмы, Vitec MULTIMEDIA, в частности, Vi Именно эта карта обеспечивает наиболее точное и продуманное поставленной задачи; низкий уровень шумов, повышенная четкость более корректная цветопередача. К ее недостаткам можно отнести вие живого окна — отображение осуществляется в режиме preview кадр/с.