Роберт Шифер

Нестандартное видео высокой четкости

Преодолев c помощью современных устройств ограничения старых стандартов, мы получили возможность упростить процессы создания и демонстрации видео высокого разрешения, не предназначенного для телевещания, - правда, для этого необходимо научиться мыслить по-новому.

Для создателей цифрового видео наступили замечательные времена: они теперь могут делать нечто совершенно отличное от всего прежнего, так как ограничений, накладываемых стандартным разрешением и чересстрочной разверткой, больше не существует. Можно, например, использовать такие телевещательные форматы высокого разрешения, как 1080i, 1080p и 720p, а для вывода выбирать нестандартные форматы высокой четкости, скажем, компьютерные форматы с прогрессивной разверткой и разрешением 800x600, 1024x768 и 1280x1024 пикселя.
Революция в области высокого разрешения стала следствием появления современных мониторов и проекторов, цифровой обработки сигналов, камер и переключателей, накопителей высокой емкости и преобразователей цифровых изображений. Для многих пользователей переход к телевидению высокой четкости вполне логичен и основан на стандартах, принятых группами SMPTE и ATSC.
Однако развитие производства нестандартного видео высокой четкости протекало не столь гладко, и дискуссии по этому поводу были порой далеко не мирными. Как же изображение с малым разрешением преобразовать в высокочеткое? Как видео соединить с компьютерным изображением? Что такое "активное пятно проектора", о котором приходится слышать то и дело? Кто создаст сервер, способный воспроизводить видео с полной скоростью и с компьютерным разрешением?

RGB: вводный курс

Для начала давайте освежим свои знания и заново рассмотрим само понятие видео. Для большинства из нас этим термином определяется последовательность изображений с чересстрочной разверткой и скоростью 30 (или 25 для PAL) кадров в секунду. Стандарт чересстрочного видео с такой частотой впервые возник как способ передачи телевизионного сигнала в определенном диапазоне спектра радиочастот - на канале шириной около 6 МГц (см. таблицу).
На самом деле мы могли бы передать те же 30 кадров в секунду с прогрессивной разверткой, рисуя каждый кадр сверху донизу без чередования строк. Но удвоение частоты сканирования потребовало бы вдвое большей ширины канала, а такое использование спектра телевещательных частот нельзя назвать эффективным. И поэтому на протяжении полувекового развития видео сформировалось два основных стандарта: сначала 525-строчное черно-белое, а затем 525-строчное цветное изображение с чересстрочной разверткой.
Увлечение телевидением высокой четкости в начале 1980-х знаменовало собой попытку выйти за рамки видеостандарта: в нем предлагалось более высокое разрешение, другое соотношение сторон кадра и лучшее качество звука. Но только появление персонального компьютера, развитие цифровой обработки сигналов и технологии плоских матричных дисплеев в 90-х годах привело к настоящему прорыву.
В принципе можно создать видео с любым разрешением, частотой кадров и форматом сканирования - при условии, что есть правильные средства для работы и достаточная ширина полосы для передачи сигнала. Такие средства предоставляют камеры и производственное оборудование формата HDTV, и сегодня мы можем снимать и показывать изображения в 480-строчном прогрессивном, 720-строчном прогрессивном или 1080-строчном чересстрочном форматах. Однако с тем же успехом можно было разработать камеры и производственные средства для съемки и показа 600-, 768- и 1024-строчного прогрессивного видео.
Таких устройств в настоящее время нет, зато есть достаточно много продуктов, позволяющих преобразовать существующее 525-строчное видео с чересстрочной разверткой в компьютерные форматы с прогрессивной разверткой (и в некоторые телевизионные стандарты высокой четкости). Подобный процесс масштабирования выполняется путем буферизации кадров и интерполяции движения с последующим цифровым увеличением полученных изображений для расширения пиксельной области. (Некоторые из этих продуктов могут даже прогрессивное и чересстрочное видео конвертировать в разрешение компьютерных стандартов.)
Если все это проделать правильно, то в результате должна получиться картинка без дрожания, с минимумом артефактов движения и масштабирования и несмотря на чересстрочное происхождение похожая на изображение HDTV. Поскольку исходное разрешение увеличивается, строки сканирования в исходном сигнале становятся почти незаметными. Такие кадры кажутся нам более качественными по сравнению с простым проектированием видеоизображения, которому присущи все артефакты чересстрочного сканирования.
До начала 1990-х годов для проектирования видео использовались фронтальные проекторы с тремя электронно-лучевыми трубками, не обеспечивающие достаточной яркости. В 1980-х существовали и более яркие проекторы со световыми клапанами, но они поддерживали лишь разрешение VGA (640x480), а настраивать и обслуживать их мог только опытный оператор; к тому же весили они для ежедневной работы слишком много и при этом стоили безумных денег).

     
Быстрое развитие плоскоматричной проекции вызвало к жизни новый класс проекторов (и даже мониторов), позволяющих получать необходимые разрешение и яркость. Порой такие изображения выглядят даже слишком яркими, например, если съемки производились видеокамерами IMAG (Image Magnification). Так что посмотреть вдохновенное выступление шефа или насладиться свежей видеопродукцией отдела маркетинга теперь можно, не выключая света.
Некоторые производители внимательно присмотрелись к этим новым проекторам и решили, что они могут поддерживать и компьютерную графику вроде презентаций PowerPoint. Появилось множество затейливых интерфейсов, обеспечивающих подлинно мультимедийные презентации. Однако такой переход не всегда шел гладко: для синхронизации видео или компьютерного источника требовался один микшер, а для подключения самого источника - другой. Огрехи синхронизации были заметны на экране, и результат оказывался не вполне изящным.
Тем временем разрешение светодиодных и DLP-проекторов росло - с 800x600 до 1024x768 и современных 1280x1024/1365x1024. Проблема была в том, что не существовало прогрессивных микшеров сигнала RGB. Микшировать композитное видео несложно - по одному видеосигналу на канал. Гораздо хуже обстоит дело с RGB, где цветовых каналов три и один или два из них требуют синхронизации. Это могло бы стать настоящим кошмаром для инженеров.
Но на рынке неожиданно появилась компания Folsom Research, которая изначально занималась преобразованием в видео радарных изображений высокого разрешения и сделала идею RGB-видео реальной. Ее первый продукт для микширования RGB - выпущенный в 1997 г. VFC-2 - позволял в результате бесшовного объединения одного компонентного видеосигнала с чересстрочной разверткой и одного сигнала RGB с прогрессивной разверткой иметь выходное разрешение до 1280x1024 пикселей.
Этот продукт сразу стал популярным, поскольку создатели видео, ранее работавшие только в стандарте NTSC и выполнявшие переключение, микширование, а затем удвоение выходного канала для подачи сигнала на проекторы, теперь могли создавать исходные видеоматериалы в стандартных форматах NTSC или PAL и, объединяя их с мультимедийными и графическими материалами с рабочей станции, получать при проекции яркое, контрастное и детальное изображение.
Презентации с прогрессивной разверткой получили толчок к дальнейшему развитию, когда компания Vista Controls разработала для микшера VFC-2 интерфейс, идентичный используемому в профессиональных видеомикшерах.
RGB Spectrum последовала этому примеру, выпустив свою серию RGB- видеомикшеров Synchromaster. А затем и французская фирма Analog Way в 1998 г. представила свой первый RGB-видеомикшер с несколькими входами; правда, он мог работать только с прогрессивной разверткой. Даже фирма Snell & Wilcox создала устройство под названием "интерполятор", хотя и предназначенное в основном для домашних кинотеатров.
Компания Extron Electronics на INFOCOMM'2000 продемонстрировала RGB-видеомикшер SGS 408, а FSR, выпустившая Omni Navigator, объявила о разработке микшера с восемью входами. Фирма Folsom недавно показала Screen Pro, многоканальную версию VFC. Нет сомнения, что в недалеком будущем подобных продуктов, позволяющих создателям смешивать любые видео- и компьютерные источники (в том числе HDTV) и преобразовывать их в соответствии с разрешением проектора, появится много.

Зачем столько возможностей?

Сама идея создания видео высокого разрешения может показаться слишком абстрактной, поэтому давайте рассмотрим конкретный пример. Вместо привычного старого видео попробуем сделать видеофильм о конференции или выставке с соотношением сторон изображения16:9 - современные компонентные цифровые камеры и видеомагнитофоны вполне это позволяют. (В таком видео будет по-прежнему 525 строк, но из всего доступного растра сканирования вы сможете использовать только 270 - 295 вертикальных строк.)
     
Нам нужно подготовить компьютерную графику и иллюстрации в PowerPoint с соотношением сторон 16:9. Для SVGA это даст размер кадра 800x450 пикселей, для платформы XGA получится разрешение 1024x576 пикселей, а для компьютеров SXGA -1280x720 пикселей. (Заметим, что последнее значение идентично разрешению стандарта HDTV SMPTE 1280x720p/60, так что в результате вы как бы моделируете сигнал HDTV.)
При помощи одного из упомянутых выше RGB-видеомикшеров выберите выходное разрешение, наилучшим образом соответствующее вашим электронным дисплеям. Все исходные видеоматериалы будут преобразованы к этому разрешению и частоте кадров, и вы сможете монтировать видео- и графические материалы, используя различные эффекты; все это делается так же просто, как и на обычном композитном видеомикшере. Применение широкоэкранного изображения 16:9 дополнит картину - вы получаете видео высокого разрешения по цене стандартного!
Вам не нравится широкий экран? Тогда подготовьте материалы со стандартным разрешением и при помощи преобразователя-микшера приведите их к разрешению 1024x768 или 1280x1024. Обратите внимание, что последнее разрешение дает соотношение сторон 4:3, а не 5:4. На рынке доступны и другие источники прогрессивного сигнала RGB с высоким разрешением, например, копировальные установки и цифровые фотоаппараты. Включить в презентацию изображения от таких источников можно так же легко.
Теперь презентацию можно записать как преобразованную смесь видео и графики. Фирма QuVis выпускает сервер HD, поддерживающий стандартные компьютерные форматы с прогрессивной разверткой. Видеомагнитофон QuBit позволяет сохранить готовую презентацию практически с любым разрешением, в том числе HDTV. Он использует собственную систему коротковолнового сжатия; многие пользователи считают, что она обеспечивает лучшее по сравнению с традиционными серверами на основе MPEG качество изображения.
В презентации можно придерживаться и стандартных форматов телевидения высокой четкости, таких как 1080i или 720p; другой вариант - весь проект снимать и монтировать как видео стандартного разрешения и лишь потом преобразовать в формат HD. Некоторые видеопреобразователи поддерживают форматы DTV 480p и 720p, есть и такие, которые могут преобразовать видео в 1080i. DVP 5000 фирмы Faroudja поддерживает формат 1080p/60, дающий очень детальные изображения исходного материала 1080i.
Таким образом, возможность перехода на видео высокого разрешения с использованием компьютерных форматов с прогрессивной разверткой в основном определяется аппаратурой. Вы продолжаете снимать, монтировать и обрабатывать материал, как и прежде, но при этом пользуетесь преимуществами более подробного изображения и гладких переходов между всеми источниками сигнала.

Презентации с высоким разрешением

Рассмотрим некоторые современные преобразователи и микшеры, позволяющие объединить в реальном времени чересстрочное и прогрессивное видео. Заметим, что некоторые производители называют такие устройства графическими или бесшовными микшерами. Но это не должно вас смущать, все эти продукты выполняют одни и те же функции.
Фирма Folsom Research открыла эту область несколько лет назад, выпустив популярный преобразователь форматов VFC-2200. Последняя же ее новинка - Screen Pro - может без дополнительного оборудования обрабатывать композитные, компонентные и компьютерные сигналы с высоким разрешением, а также сигналы S-Video. Сочетая в себе видеокоммутационную матрицу, два видеопреобразователя и полноценную панель управления, это устройство обеспечивает бесшовное переключение между всеми видеоформатами (с частотой сканирования от 15 до 130 кГц и разрешением до 1600x1280), имеет восемь входов с высоким разрешением и два выхода - основной и для предварительного просмотра.
Компания RGB Spectrum, продолжая работу на рынке презентаций псевдовысокого разрешения, выпустила синхронизированный преобразователь-микшер Synchro Master 450VG с четырьмя входами (два видео и два RGB), который обрабатывает любые видеосигналы - от композитного до 1280x1024 RGB. В нем есть шина для предварительного просмотра и предусмотрены все стандартные возможности монтажа (затенение, наложение, вытеснение, стоп-кадр, панорама и наплыв). При помощи дополнительного интерфейса PanelLink DVI на выходе можно получать как аналоговый, так и цифровой сигнал RGB.
Фирма FSR появилась на этом рынке относительно недавно, но ее Omni Navigator уже пользуется успехом. Это еще один RGB-видеомикшер с восемью входами и двумя выходами (один - для предварительного просмотра), поддерживающий все распространенные форматы видео, в том числе YUV и композитный. Он допускает любые выходные разрешения от 640x480 до 1280x1024, позволяет использовать переходы (стыки, вытеснения, перекрестные затухания, стоп-кадры) и снабжен шиной предварительного просмотра.
Extron Electronics предлагает свой бесшовный графический микшер SGS 408. У него, как и у устройств Folsom и FSR, восемь входов, и он может объединять сигналы с чересстрочной и прогрессивной разверткой, обеспечивая выходное разрешение до 1600x1200 (с 18 стандартными разрешениями - компьютерными, телевизионными и плазменных экранов). Поддерживаются монтажные эффекты, шина предварительного просмотра и титры; есть также две панели дистанционного управления (RCP 0 и ECP 0).
Компания Analog Way, которая в свое время первой предложила микшер, имеющий больше двух входов, продолжает претендовать на лидерство в области видеопрезентаций высокого разрешения. Ее новый продукт Graphic Switcher II снабжен ни много ни мало 16 входами (восемь для компонентных источников с разрешением до 1600x1200, 480p, 720p и 1080p и восемь дополнительных разъемов, которые можно использовать для композитных источников 480i или объединить в четыре пары входов S-Video). Выход может быть любым от VGA до SXGA или же 480p/720p/1080p, 60 Гц. Есть также выход для предварительного просмотра, доступны все стандартные эффекты и вставка титров.
Продукт для объединения видео и графики под названием Director фирма TVL Laboratories предлагает уже более 10 лет; этот программно-аппаратный пакет предназначен для корпоративных презентаций. Недавно компания выпустила на рынок преобразователь-микшер ShowPro I с шестью входами и двумя выходами, поддерживающий 31 переход, в том числе наплывы, переворачивание страниц, "картинку-в-картинке", стоп-кадр, а также дистанционное управление видеоисточниками. Максимальное выходное разрешение - 1024x768.

Кому же нужно HDTV?

С распространением различных преобразователей и микшеров для цифрового видео этот вопрос задается все чаще. Дело в том, что ни один формат с прогрессивной разверткой (кроме 480p и 720p) не соответствует стандартам телевещания - это презентационные стандарты, разработанные для реализации тех преимуществ, которые дают видео- и компьютерные исходные материалы. И до сих пор это были форматы аналогового, а не цифрового сигнала (однако скоро ситуация должна измениться).
Чего можно ожидать в будущем? JVC уже объявила новую линию D-ILA светоотражающих светодиодных панелей с разрешением 2048x1536, и нет сомнения, что вскоре мы увидим светодиодные светопропускающие дисплеи с разрешением 1600x1200 (UXGA). Конечно же Texas Instruments не останется в долгу и перенесет технологию DMD на разрешение 1600x1200, хотя никто точно не знает, когда это случится.
По мере того, как увеличивается разрешение устройств вывода изображения, будет расти и выходное разрешение преобразователей и микшеров цифрового видео. На злобу дня встанет задача обеспечения необходимой скорости обработки, буферной памяти и пропускной способности. Для формата 1080p/60, поддерживаемого Faroudja, уже необходима полоса шириной 186 МГц, что близко к показателю UXGA (173 МГц). Поэтому переход к разрешению 1600x1200 с прогрессивной разверткой диктуется требованиями рынка.
Что касается изображений с высоким разрешением, то для презентаций можно использовать формат 1080p/60, обеспечивающий очень неплохую четкость и детальность (что определяется, естественно, качеством исходного материала). Когда в преобразователях видео и RGB-микшерах будет реализован прямой последовательный цифровой ввод и вывод, объединение DV с чересстрочной разверткой, HDTV с прогрессивной и чересстрочной разверткой и RGB с прогрессивной разверткой будет производиться "в одно касание".

RGB-видеомикшер SPR-2000 Screen Pro фирмы Folsom Research

Фирма Folsom Research одной из первых вышла на рынок продуктов для электронных презентаций высокого разрешения с прогрессивной разверткой, представив Variable Format Converter (VFC); теперь она объединила свою технологию цифрового масштабирования с популярным пользовательским интерфейсом компании Analog Way. В результате получился микшер SPR-2000 Screen Pro, имеющий восемь входов и два выхода (плюс предварительный просмотр), который может работать с композитными, S-Video и компонентными источниками 480i, а также с сигналами RGBS с прогрессивной разверткой, поступающими от компьютеров, удвоителей и источников 480p/720p/1080i DTV в формате RGB. Устройство снабжено большой передней панелью с крупными подсвеченными кнопками и двумя ручками для переноски. Для всех входов и одного выхода (MAIN 1) в нем используются разъемы BNC, а для выходов MAIN 2 и PREVIEW - 15-контактные разъемы VGA. Все входы могут принимать сигналы RGB, YCbCr (Betacam, DVD), S-Video (Y/C) и композитный (через один из синхровходов). При тестировании подключались сигналы RGBHV от настольного компьютера (разрешение дисплея - 1280x1024); выходы YCbCr 480i от DVD-плейера Sony DVP-S7000; 1080i и 720p от адаптера DTV Panasonic TU-DST51, преобразованные в RGBS при помощи конвертора формата Extron CVC 200; тестовые сигналы RGBS от Extron VTG200 с разрешением 640x480; RGBS от ноутбука Toshiba 800x600. Были использованы два дисплея: электронно-лучевой монитор AF3.0HD CRT фирмы Princeton и фронтальный светодиодный проектор VPL-VW10HT компании Sony. Screen Pro поддерживает выходные разрешения с прогрессивной разверткой 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x720 и 1280x1024. Было выбрано значение 1280х720, 60Гц как наиболее близкое к конструктивному разрешению проектора Sony (1366x768) и монитора Princeton. Screen Pro автоматически определяет формат сигнала для каждого входа и преобразует его в нужный выходной формат. Настройка на входах позволяет задавать положение и размер изображения, яркость и контрастность, выбирать формат на входе, устанавливать цветoвой баланс, включать компенсацию сжатия кадра 3:2 и устанавливать тип синхронизации. Можно настраивать и выходные сигналы, задавая их формат и тип синхронизации. Для настройки проектора используется несколько тестовых изображений и индикатор области растра. Для переходов между источниками в Screen Pro надо выбрать вход и нажать кнопку Wipe, Dissolve или Cut. Могут быть заданы любые параметры перехода, скажем, длительность перекрестного затухания или направление вытеснения. При этом переходы выглядят гладко, без нарушений синхронизации или сдвигов изображения. Хотя Screen Pro не декларирует совместимости со всеми форматами HDTV, вы можете объединять их столь же легко, как и любые сигналы RGB, если ваши источники DTV подсоединены как RGBS или RGBHV. Например, можно смешивать и монтировать сигналы 1080i RGBS от D-VHS и от DVD "Men In Black" (анаморфный 480i), задавая в Screen Pro выходной формат 1280x720. Вы без труда добавите и некоторые графические материалы 16:9 из Powerpoint. Система Screen Pro - гибкая и простая в использовании - принесет большую пользу в работе. Ее способность подогнать разрешение любого источника к разрешению проектора, монитора или плазменного дисплея, а также безупречно выполнить переходы между множеством видео- и компьютерных источников - большое преимущество для создателей мультимедийных презентаций и других материалов, где требуется сочетание видео с компьютерной графикой.

Формат видео/RGB	Разрешение	Соотношение сторон	Число пикселей	Тип развертки и частота обновления, Гц	Ширина полосы, МГц
NTSC*	480 x 320 *	4:3	153 600	Чересстрочная, 30	6,9
VGA	640 x 480	4:3	307 200	Прогрессивная, 60	27,6
480p/60  (ATSC DTV)	704 x 480	4:3	337 920	Прогрессивная, 60	30,4
SVGA	300 x 600	4:3	480 000	Прогрессивная, 60	43,2
720p/60 (ATSC DTV)	1280 x 720	16:9	921 600	Прогрессивная, 60	82,9
XGA	1024 x 768	4:3	786 432	Прогрессивная, 60	70,7
SXGA	1280 x 1024	5:4	1 310 720	Прогрессивная, 60	118
SXGA	1365 x 1024	4:3	1 397 760	Прогрессивная, 60	125
1080i/30 (ATSC DTV)	1820 x 1080	16:9	2 073 600	Чересстрочная, 30	93,3
1080p/60	1920 x 1080	16:9	2 073 600	Прогрессивная, 60	186,6
UXGA	1600 x 1200	4:3	1 920 000	Прогрессивная, 60	173
QXGA	2048 x 1536	4:3	3 145 728	Прогрессивная, 60	283

* Ограничение ширины полосы при вещании в NTSC до 4,5 МГц снижает реальное разрешение.