Лекция 1-07 (стр. 7 )

1.3.45. Средства ввода-вывода и обработки видеоизображений

При обработке изображения на компьютере обычно исходные данные вводятся с телевизора, видеомагнитофона или видеоплеера, а конечный результат часто выводится на телевизор или видеомагнитофон (например, при создании видеоклипов или рекламных роликов). Однако, несмотря на то, что мониторы компьютеров и телевизоры имеют много общего в конструкции и принципах функционирования, они используют различные системы вывода изображения.

При рассмотрении основных компонент видеосистемы были описаны средства, которые применяются в видеокартах и мониторах компьютера для формирования изображения на экране. Основными здесь являются средства синхронизации и развертки изображе­ний. Как уже упоминалось, в настоящее время применяются два способа формирования изображения на экране монитора: построчная и чересстрочная, причем в современных мониторах используется построчная развертка. Разрешение видеокарт стандарта SVGA составляет: 640х480, 800х600, 1024х600 и 1024х768 точек, а частота кадровой развертки – от 60 Гц и выше.

В телевизионной технике используется чересстрочный спо­соб, когда за первый цикл сканирования электронным лучом экрана фор­мируется изображение нечетных строк, а за второй – четных. В результате чего полный кадр изображения формируется из двух полукадров (полей). Кроме того, в телевидении существуют свои стандарты разрешения и кадровую частоту. Основными стандартами являются NTSC и PAL.

Американская система цветного телевидения NTSC (National Television System Committee) предусматривает разрешение 525 строк и кадровую частоту 60 Гц. В Европе принята система PAL (Phase Alternation Line), а в странах СНГ – ее разновидность – SECAM, в которых используется разрешение 625 строк и частота кадров 50 Гц. Кроме того, в Европе принята новая система телевидения будущего – HDTV (High Definition Television), в котором размер изображения имеет соотношение ширины к высоте 4:3 и используется совсем другое разрешение.

Представление цвета в компьютерах и телевизорах также существенно отличается. Если в компьютерах используется модель RGB, то в телевидении эта модель используется только в телевизорах специального назначения, применяемых в научных исследованиях. В массовой продукции и профессиональной (студийной) аппаратуре используется различные реализации модели YUV, где Y – яркость, а U и V – цветоразностные сигналы, которые образуют сигнал цветности C (поэтому эту модель называют также модель YC).

Хотя средства работы с видеоизображениями находятся в постоянном развитии, в настоящее время можно выделить три основные группы устройств:

·  телевизионные тюнеры (TV-тюнеры);

·  устройства захвата видеосигнала;

·  устройства ввода-вывода видеосигналов.

Существуют также устройства, объединяющие перечисленные выше устройства, например, карта захвата видеосигнала с встроенным телевизионным тюнером.

Телевизионный тюнер (TV-tuner) принимает телевизионный сигнал со своего входа, преобразует его в формат экрана монитора компьютера. Телевизионный тюнер содержит, как и обычный телевизор, блок настройки для выбора программ телевидения. С помощью телевизионного тюнера, который поддерживают один или несколько телевизионных стандартов, можно, подключив к плате антенну, принимать телепрограммы в диапазонах дециметровых и метровых волн и сигналы кабельного телевидения, а также монофонические и стереофонические радиопередачи (обычно в диапазоне УКВ). Настройка и регулирование воспроизведения изображения и звука выполняется с помощью программного обеспечения, поставляемого вместе с картой.

Устройства захвата видеосигнала предназначены для сопряжения компьютера с различными источниками и приемниками видеосигналов. Эти устройства называют также захватчиками изображений, устройствами ввода видео, ТВ-грабберами (TV-grabbers), имидж-кепчерами (image capturers) или видеобластерами (Video Blasters) – по наименованию первого устройства такого типа.

Обобщенная структурная схема устройств захвата видеосигналов состоит из четырех базовых элементов, реализованных соответствующими наборами микросхем (рис. 2.52).

Рис. 2.52. Структурная схема устройства захвата видеоизображения

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 осуществляет необхо­димые цифровые преобразования данных (например, YUV в RGB, масшта­бирование), организует их хранение в буфере собственной памяти – треть­ем элементе устройства, пересылку данных по шине компьютера при сохранении на устройствах внешней памяти, а также их передачу цифро-аналоговому преоб­разователю (ЦАП) с VGA-выходом. ЦАП совместно с видеоконтрол­лером участвует в формировании вывода видеоизображения 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.

Возможность захвата отдельного кадра позволяет выполнять так называемый линейный монтаж, когда исходный материал (результат видео­съемок) находится на видеокассете, и его обработка производится по одному кадру.

Наиболее важными характеристиками устройства захвата видеоизображения являются:

·  формат принимаемых низкочастотных видеосигналов;

·  поддерживаемые телевизионные стандарты;

·  частота и глубина оцифровки;

·  возможность регулировки оцифрованного сигнала.

Формат принимаемых видеосигналов определяется используемой модификацией модели YUV (существует несколько версий этой модели, отличающиеся качеством воспроизведения видеосигнала). В массовых телевизорах используются более дешевые модификации модели YUV (форматы VHS – Home Video System и Video-8), в профессиональном оборудовании – более точно воспроизводящие цвета и оттенки системы S-VHS, Hi-8 (формат S-Video) и Betacam. Обычно устройство может принимать видеосигнал от 3 внешних источников и соответственно имеет 3 видеовхода (одного или нескольких форматов) для их подключения с помощью стандартного телевизионного кабеля.

Устройства захвата изображения обычно поддерживает телевизионные стандарты PAL и NTSC. Однако следует отметить, что в основном телевизионные каналы в Украине используют стандарт SECAM, поэтому необходимо при приобретении карты необходимо проверять наличие стандарта SECAM для устройства.

Частота оцифровки видеосигнала определяет получаемое разрешение по горизонтали (стандартной частотой является 13,5 МГц). Однако эта частоты дает не очень качественное изображение, поэтому в некоторых устройствах имеется возможность увеличения частоты оцифровки. Еще одной важной характеристикой декодера является глубина оцифровки, задаваемая, как количество бит на один отсчет. Для получения полноценного изображе­ния считается необходимым 16 млн. цветовых оттенков (режим True Color) что требует 8 бит на элемент изображения для каждой со­ставляющей видеосигнала. Таким образом, качественный декодер должен принимать с возможностью регулировки видеосигналы стандартов PAL/SECAM/NTSC и осуществлять их 8-битную оциф­ровку на частоте 14,75 МГц.

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 монитора.

Карты ввода-вывода видеосигналов обеспечивают не только захват и сохранение отдельного кадра, но и целого фрагмента видеоизображения. Это позволяет выполнять нелинейный монтаж, когда весь материал находится на жестком диске, в результате чего обеспечивается произвольной доступ к необходимому кадру, и, следовательно, доступны все возможности цифровой обработки изображения. Кроме того, эти устройства обеспечивают также вывод стандартного видеосигнала, что позволяет передавать изображения с экрана компьютера на видеомагнитофон или телевизор.

Прямой ввод-вывод последовательности видеокадров и его запись или чтение в оцифрованном виде на внешнем носителе в настоящее время невозможны из-за больших объемов видеоданных и требуемых больших скоростей обмена. Так, для записи одной минуты видеофрагмента требуется 1 Гбайт памяти и скорость до 10 Мбайт/с. Уменьшение размера и/или частоты кадров, а также количества цветов приводит к резкому ухудшению визуального качества видеоизображения. Наиболее эффективным в данном случае является использование компрессии (сжатия) данных. Хотя для компрессии/декомпрессии видеоизображений можно использовать программные средства, для достижения более высокого качества изображения для устройств ввода/вывода видеосигналов были разработаны микросхемы аппаратной компрессии, позволяющие в реальном вре­мени захватывать и сжимать видеоизображения и, после цифрового редактирования, выводить видеоизображения на телевизор и видеомагнитофон.

Помимо характеристик, приведенных для устройств захвата видеосигнала, устройства ввода-вывода видеосигналов имеют следующие характеристики:

·  качество оцифрованного видео (разрешение, количество кадров секунду, количество цветов);

·  наличие/отсутствие аппаратной компрессии;

·  количество видеовыходов (для вывода видеосигналов на внешние устройства);

·  поддерживаемые форматы графических файлов и видеофайлов.

Существенное значение имеет также программное обеспечение для захвата и редактирования видеоизображений, поставляемое вместе с устройством ввода-вывода видеосигналов.