Маштабаторы и преобразователи сигналов
В любом более или менее сложном проекте, включающем современную аудио- и видеоаппаратуру не обойтись без коммутационного оборудования. Оно позволяет создавать разные варианты соединения источников и получателей аудио и видео информации, легко управлять ими, создавать новые интересные аудиовизуальные эффекты. Для решения этих задач относительно недавно был создан новый класс устройств, называемых масштабаторами или скейлерами*.
НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИИ МАСШТАБАТОРОВ
В связи с тем, что техника записи и воспроизведения изображения развивалась в нескольких направлениях, и работы в области видео вело множество фирм, расположенных в разных странах, на сегодняшний день существует довольно много стандартов передачи видеосигнала, конкурирующих между собой. К ним относятся классические телевизионные системы PAL/SECAM/NTSC, созданные еще в 50-60-х годах ХХ века (с чересстрочной разверткой*), которые отличаются как по разрешению изображения, так и по принципу кодирования цветовой информации и видеосигналы от компьютеров, спутниковых ресиверов, проигрывателей DVD, которые могут иметь значительно большие разрешения, формат с прогрессивной развёрткой*.
Для передачи видеосигнала от источника к устройству отображения (телевизору, монитору, проектору и т.д.) используются различные физические интерфейсы:
Задача масштабатора – получив на входе сигнал любого из вышеуказанных форматов, максимально качественно преобразовать его к единому виду – выходному сигналу VGA (RGBHV) заданного разрешения.
Этот тип выхода масштабатора был выбран именно потому, что он обеспечивает максимальное качество передачи сигнала и максимальную универсальность. К тому же большинство современных проекторов, плазменных панелей и т.д. оборудованы таким входом. Кроме того зачастую масштабаторы могут формировать сигнал YUV (YPbPr) формата HDTV (телевидения высокой четкости) или цифрового формата DVI либо HDMI (номенклатура дисплеев с такими входами постоянно увеличивается).
Если выход масштабатора настроен на «естественное» разрешение проектора или панели, изображение на экране получается максимально качественным – поскольку этому устройству уже не нужно преобразовывать, масштабировать картинку под свою матрицу. Эту работу уже выполнил за него масштабатор.
Построение типовой видеосистемы, состоящей из множества источников самых разных видеосигналов (видеомагнитофона, DVD-проигрывателя, спутникового или кабельного ресивера, компьютера и т.д.) резко упрощается – все сигналы просто заводятся на масштабатор, который заодно выполняет и роль коммутатора входов.
Больше не надо заботиться о том, что картинки от разных источников будут выглядеть по-разному, не надо ломать голову над тем, как использовать максимально качественный выход от DVD-проигрывателя, если нужного входа нет у вашего проектора. К тому же фирменные алгоритмы масштабирования обеспечивают эффективный деинтерлейсинг (преобразование из чересстрочной развертки обычного телевидения в прогрессивную, используемую в современных устройствах отображения) без характерных для этого процесса артефактов («расчёска»), а строчная структура исходного материала становится практически незаметной. В результате вы получаете изображение, по субъективному качеству зачастую превосходящее исходное, поступающее от источника сигнала, и оптимально подстроенное под вашу панель или проектор (включая, при необходимости, и преобразование формата экрана в формат 4:3 или 16:9).
Вообще-то современные средства отображения информации способны и сами выполнять синхронную коммутацию источников по видео и звуку и делать стандартные настройки изображения и звука. Не стоит, однако, забывать, что качество реализации сложных алгоритмов обработки сигнала во встроенных видеопроцессорах телевизоров и проекторов, как правило, ниже, чем в специализированных приборах студийного уровня качества.
Первые образцы масштабаторов, имевшихся на рынке, стоили чрезвычайно дорого, и были по карману только фирмам, профессионально занимающимся созданием и обработкой мультимедийной информации. Новое поколение масштабаторов отличается гораздо лучшим соотношением цены и качества. Приборы профессионального уровня теперь при цене от 1200 до 2500$ могут приобретаться и для мини-студий, и для домашнего использования. Такого предложения раньше на рынке просто не было. Новые поколения масштабаторов будут развиваться, в основном, в сторону увеличения функциональности и улучшения алгоритмов обработки.
Некоторые модели масштабаторов специально оптимизируются под домашнее использование. В первую очередь это касается их внешнего вида и удобства управления. Для них характерны изящные линии корпуса и передней панели, а также эргономические органы управления и меню. Лаконичный и строгий вид предыдущих профессиональных моделей масштабаторов, вполне уместный в студиях и профессиональных презентационных установках, не годится для уютной квартиры.
Одним из главных преимуществ масштабаторов служит удобство работы с одним устройством, в котором сосредоточены не только переключатели или электронные ключи, но и все узлы, ответственные за преобразования и настройки. Подключив к скейлеру-интегратору персональный компьютер или интегрировав его в систему «Умного дома», можно получить гибкую интеллектуальную систему домашнего кинотеатра, презентационного оборудования и пр. Программное обеспечение современных масштабаторов, записанное в ПЗУ прибора, легко интегрируется с любым программным обеспечением для «Умного дома», и есть возможность обновления прошивки.
В ассортименте выпускаемых изделий любого производителя внешний скейлер или видеопроцессор всегда служит демонстрацией возможностей компании. В нём обычно используют все самые новейшие разработки.
Масштабаторы прошли длинный путь технического развития – от элементарных «удвоителей» и «учетверителей» развёртки, механически повышавших разрешение экрана практически без обработки, до современных устройств, позволяющих произвольно пересчитывать любые входные сигналы до заданного разрешения и соотношения сторон экрана с использованием изощрённых алгоритмов деинтерлейсинга, интерполяции, сглаживания и фильтрации.
КАК РАБОТАЕТ МАСШТАБАТОР
Самой сложной и ответственной операцией является преобразование масштаба изображения – то есть получение картинки с иным разрешением, видеостандартом и, возможно, соотношением сторон, чем в исходной.
Вначале сигнал (см. рис. 1), поступающий на один из входов масштабатора, преобразуется в формат RGB (декодирование), что позволяет при последующей обработке добиться минимальных потерь качества изображения.
Многие устаревшие источники видеосигнала выдают картинку с чересстрочной развёрткой, в которой за счет разложения каждого видеокадра на два чередующихся поля ширина полосы частот передаваемого сигнала уменьшается вдвое. В одном из полей передаются четные строки кадра, в другом нечетные. Чересстрочной развёртке присущи серьезные недостатки, в первую очередь – артефакты изображения, почти сводящие на нет её преимущества. В первую очередь это дрожание тонких горизонтальных линий на экране. Когда такая линия попадает, скажем, только на чётную строку, а в нечётной отсутствует – линия на картинке мигает с частотой 25 Гц, что хорошо заметно и сильно раздражает зрителя. Современные панельные устройства вывода на основе жидких кристаллов, плазмы, микрозеркал и даже 100-Гц телевизоры на обычных ЭЛТ очень чувствительны к чересстрочной картинке. На экране возникает неприятный эффект «размазывания» движущихся объектов, в обиходе называемый «расчёской» – чётные и нечётные строки разъезжаются, образуя характерные зазубрины на краях объекта.
Такую картинку необходимо преобразовать в прогрессивную развертку (процесс деинтерлейсинга), у которой все строки кадра передаются в одном, а не в двух полях. Прогрессивная развертка, во-первых, обеспечивает более высокое качество изображения, а, во-вторых, с ней легче работать. Преобразование развертки выполняется в особом блоке масштабатора, который называется блоком деинтерлейсинга.
Оконечный модуль масштабатора преобразует масштаб развёртки изображения и выдачу его на выход устройства. Выход можно настроить на любой нужный режим – от 640х480 до 1600х1200 при заданной кадровой частоте (масштабирование).
Рассмотрим работу основных блоков масштабатора подробнее.
Видеосигнал представляет собой сложную смесь различных информационных составляющих, поэтому на первом этапе все составляющие сигнала необходимо сначала разделить.
Например, из композитного сигнала, в котором «смешаны» вместе информация о синхронизации, яркости и цвете, масштабатор получает отдельные сигналы о яркости в каждом из основных цветовых каналов – R (красном), G (зелёном) и B (синем), а также информация о синхронизации (H, V).
Затем сигналы RGB переводятся в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Дальнейшая обработка сигнала идет «в цифре». Сигналы со входа DVI-D такого преобразования не требуют, поскольку изначально являются цифровыми (см. рис. 2).
Следующим этапом является собственно деинтерлейсинг (т.е. преобразование типа развертки — из чересстрочной в прогрессивную). При этом изображение в памяти масштабатора подвергается дополнительной обработке – цветокоррекции, гамма-коррекции; шумы на картинке отфильтровываются, яркость и контрастность приводятся к нужному уровню (см. рис. 3).
После получения в буферной памяти полноценного кадра изображения остаётся вывести этот кадр на внешнее устройство отображения с заданными параметрами разрешения. Для этого изображение из буферной памяти интерполируется (если разрешение повышается) или усредняется (если оно снижается). Для уменьшения «зазубрин» и «ступенек» на наклонных линиях используются специальные алгоритмы.
Алгоритмы и параметры этих преобразований подобраны так, чтобы максимально уменьшить нежелательные эффекты – при повышении разрешения можно сделать исходную строчную структуру картинки менее заметной, а при понижении разрешения – по возможности не потерять чёткость передачи мелких деталей (см. рис. 4).
В результате описанных процессов изображение от любых источников, будь то классические видеосигналы или компьютерная графика, окажется приведённым к единому стандарту и уже в виде максимально качественного сигнала RGBHV, по единственному кабелю будут переданы на проектор или панель (см. рис. 5).
- Разделение информационных составляющих входного сигнала;
ЧТО ЕЩЕ МОЖЕТ МАСШТАБАТОР
Масштабатор становится центральным элементом видеосистемы, отвечающим за её функционирование как единого комплекса, объединяющим и «примиряющим» между собой все её элементы. Типичный масштабатор, кроме собственно преобразования разрешения и частот сигнала и коммутации входов, зачастую оснащен внушительным списком дополнительных возможностей:
Специально разработанные для домашних кинотеатров, имеющие привлекательный внешний вид и богатые технические возможности, современные масштабаторы способны стать настоящим сердцем вашей видеосистемы. Любой из многочисленных источников видеоизображения (спутниковый или кабельный ресивер, видеомагнитофон, DVD-проигрыватель, компьютер, видеокамера, видеоигры) будет подключён в систему, его сигнал будет обработан и приведён к максимально возможному качеству, которое способно обеспечить ваше устройство отображения (панель, проектор, широкоформатный телевизор).
На рисунках 7 и 8 представлены схемы практических применений масштабаторов.
Масштабаторы видеосигнала и преобразователи частоты развертки
Вход: HDMI, выход: HDMI, полоса пропускания до 3,4 Гбит/с на канал, стандарты: HDMI 1.4 и HDCP 1.4.
Вход: DVI-I 24-pin, выход: RCA (1 В/75 Ом), стандарты: PAL или NTSC, 120х72х24 мм, вес 0,2 кг.
Вход: HD15F 15-pin, выход: 2х BNC (CV), 2х S-video (mini-din 4-pin YC), стандарты: PAL/NTSC, IR датчик.
Вход: 1х S-video (mini-din 4-pin YC), 1х RCA (1 В/75 Ом), выход: 1х DVI-I 24-pin, 1х HD15F 15-pin.
Вход: 1х S-video (mini-din 4-pin YC), 1х RCA (1 В/75 Ом), выход: HD15F 15-pin.
Вход: 1х RCA (1 В/75 Ом), аудио 2х RCA (1В / 47кОм), выход: HDMI, 480p, 576p, 720p, 1080i, 1080p.
Вход: 1х HD15F, аудио 2х RCA (1В / 47кОм), выход: HDMI, 480p, 576p, 720p, 1080i, 1080p.
Вход: HDMI, выход: HDMI, разрешение на выходе — от 480 до 1080p, от 640×480 до 1920×1200.
Вход: HD15F, выход: HD15F, разрешение экрана на выходе — от 640×480 до 1920×1080 50/60 Гц.
Видео: вход/выход -1х HDMI, 1х HD15F 15-pin, аудио: вход — 2х TRS 1/8, выход — TRS 1/8.
Видео: вход/выход -1х HDMI, 1х HD15F 15-pin, аудио: вход — 2х TRS 1/8, выход — TRS 1/8.
Вход: 4х HDMI, 2х HD15F 15-pin, выход: 1х HDBaseT, 1х HDMI, 1х TRS стерео, Ethernet, RS-232.
In: 3х HDMI, 1х HD15F 15-pin, 1х HDBaseT, out: 1х HDBaseT, 1х HDMI, 1х TRS, Ethernet, RS-232.
Вход: 1х BNC (класс А), выход: 1х BNC (класс А), 1х HDMI, 215х163х44 мм, вес 0,5 кг.
Вход: 1х BNC (класс А), выход: 2х BNC (класс А), 215х163х44 мм, вес 0,4 кг.
Вход: 1х HDMI, выход: 2х BNC (класс А), разрешение на выходе: до 1080i при 60 Гц.
Вход: 1х BNC (CV), аудио 2х RCA (стерео), выход: 2х BNC (класс А), на выходе: до 1080i при 60 Гц.
Вход: 1х HDMI, 1х HD15F 15-pin, 1х DisplayPort, выход: 1х HDBaseT, 1х HDMI, 1х TRS, IR датчик, RS-232.
10х HDMI, 2х HD15F 15-pin, выход: 2х HDMI, аудио S/PDIF и клеммный блок, Ethernet, RS-232, USB, IR.
6х HDMI, 4х HD15F 15-pin, 2х RCA (CV) выход: 2х HDMI, аудио S/PDIF, Ethernet, RS-232, IR.
In: 4х HDMI, 4х HD15F, 2х DP, out: 2х HDMI, 1х DP, 1х HD15, аудио, Ethernet, RS-232, IR.
In: 4х HDMI, 2х HD15F, 1х DP, все с отдельным аудио, out: 1х HDMI, 1х HD15, аудио, Ethernet, RS-232, IR.
Вход: 8х DVI-I, выход: 2х DVI-I, аудио — Evroblock для каждого in/out, USB, Ethernet, RS-232, RS485, IR.
In: 2х HDMI, 2х HD15F, 1х DisplayPort, 2х CV, 1х Y/Bp/Pr, out: 1х HDMI, 1х DGKat, 1х D15F, аудио.
2х HDMI, 2х HD15F, 1х DisplayPort, 2х CV, 1х Y/Bp/Pr, 1х SDI, out: 1х HDMI, 1х DGKat, 1х D15F, 1х SDI.
4х HDMI, 2х HD15F, 1х DisplayPort, 2х CV, out: 2х HDMI, 1х HDBaseT, аудио, Ethernet, RS-232, IR.
4х HDMI, 2х HD15F, 1х DP, 1х CV, 1х SDI, out: 2х HDMI, 1х HDBaseT, 1х SDI, Ethernet, RS-232, IR.
4х HDMI, 2х DVI-U 29-pin, 2х HDBaseT, out: 2х HDMI, 2х HDBaseT, аудио, Ethernet, RS-232, IR.
3х HDMI, 2х HD15F 15-pin, 3х HDBaseT, 2х CV, out: 2х HDMI, 1х HDBaseT, аудио, коммутатор USB.
1х HDMI, 1х HD15F, 1х DVI-I, 1х SDI, 2х CV, 1х RGBS, 1х genlock, out: 1х DVI-I, 1х SDI, 1х D15, S/PDIF.
Анализ масштабаторов и масштабаторов-автокоммутаторов Cypress
Слава Cypress как разработчика универсальных коммутационных устройств в очередной раз нашла подтверждение — в последнее время были представлены сразу несколько новинок, которые и вошли в наш обзор. Сегодня вы познакомитесь с приборами, работающими с аналоговыми и цифровыми сигналами, поддерживающими функцию автопереключения источника и технологию HDBaseT, осуществляющими цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование, эмбеддирование/деэмбеддирование аудиосигналов и многое другое, что будет актуально не только в конференц-залах, лекториях и учебных заведениях, но и в демо-зонах, презентационных комплексах и корпоративных мультимедийных системах.
И первым на очереди у нас — CSC-5500CVE. Это повышающий масштабатор сигналов CV, YUV, VGA и HDMI в VGA или HDMI, оборудованный выходом HDBaseT, позволяющим удлинять линию передачи сигнала до 70 м. Здесь поддерживаются разрешения до 1080p и и WUXGA, а компонентное и композитное видео (не говоря уже о VGA и HDMI) передаются вместе с аудио. Помимо этого, доступно устранение чересстрочности, шумоподавление, конвертация кадровой частоты и гребенчатый фильтр для CV-источников.
CSC-5500R, в свою очередь, позволяет подключать многочисленные источники аналогового и цифрового видео к устройствам отображения с интерфейсом HDMI и коммутировать сигнал с одного из входов (2xCV, VGA, 3xHDMI) на единый выход HDMI для показа на HDTV-дисплее. Кроме того, имеется функция поиска активного входа при потере сигнала, автоматическое переключение на последний по времени подключения вход и регулировка соотношения сторон кадра, яркости, контрастности, резкости и цветового тона для идеального воспроизведения изображения. А еще он осуществляет цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование, эмбеддирование и деэмбеддирование аудио.
Следующий прибор, CSC-5501, несмотря на скромный размер, оборудован 2 входами HDMI, 1 DisplayPort, 2 VGA и 3 стереоаудио. Полученные сигналы он масштабирует и отправляет на два равноценных HDMI-выхода (максимальное разрешение — 1080p, поддержка эмбеддирования/деэмбеддирования аудио). Автопереключение источника происходит при потере сигнала на текущем входе, управление осуществляется по ИК, RS-232 и IP (web-интерфейс и Telnet). Для обработки аудио используется встроенный DSP-процессор.
Данное оборудование будет востребовано не только в конференц-залах, ВУЗах и школах, но и в шоурумах, демо-зонах, презентационных и мультимедийных системах
Ключевой особенностью масштабатора-автокоммутатора CSC-5501TX является возможность не только коммутировать и масштабировать полученные сигналы, но и отправлять их дальше по витой паре HDBaseT на расстояние до 100 м, где их можно принимать с помощью совместимого приемника CH-1529RX. Входная группа включает 2хHDMI, DisplayPort, 2хVGA / YPbPr и 3х стереоаудио. Управление масштабатором осуществляется по ИК, RS-232 и IP (web-интерфейс), также есть порты ИК и RS-232 для передачи команд управления удаленному оборудованию по линии HDBaseT.
Наконец, CSC-6030HB с поддержкой разрешений 4K UHD. Богатый выбор интерфейсов и возможность коммутации и масштабирования всех сигналов и данных одновременно на выходы HDMI и HDBaseT делают его по-настоящему универсальным устройством в любой инсталляции. 9 видеовходов (4×HDMI, 2×HDBaseT, 2×VGA, 1×USB-C) и 7 аудиовходов (6 стереоаудио + 1 микрофонный с возможностью микширования), возможность отправки всех сигналов на 100 м по кабелю CAT.6a/7, питание PoH (PsE для приемника или передатчика), 8 триггерных входов для управления или подключения сторонних систем (датчиков движения, оконной и дверной сигнализации), 2 релейных выхода для управления занавесом, проекционным экраном или освещением. богатству комплектации можно позавидовать! А какой масштабатор подходит для вашего проекта? Звоните, обсудим.
Скалеры-коммутаторы
Без данного типа устройств теперь трудно представить современную видеостудию или конференц-зал. Скалер, он же коммутатор-масштабатор – это устройство, преобразовывающее видеосигнал одного формата в сигнал совершенно другого формата. Например, аналоговые сигналы Component или VGA данный прибор может преобразовать в современный и широко употребляемый цифровой сигнал формата HDMI. А далее данный сигнал уже может быть подключен к современным устройствам отображения информации.
Скалер-коммутатор – это устройство, совмещающее в себе сразу два устройства: коммутатор видео (а часто – и аудио) сигналов на входе и скалер-масштабатор на выходе. Удобство пользования данным устройством – не вызывает сомнений. Вы имеете возможность подключить к коммутатору видеосигнала сразу несколько устройств с видеовыходами, поддерживающих разные форматы изображения, например, видеоплеер или DVD-проигрыватель, компьютер, ноутбук, видеокамеры и т.д., а к единственному выходу подключить видеопроектор или современный широкоформатный монитор.
Все управление сведется к выбору источника сигнала нажатием соответствующей кнопки на передней панели прибора. Оператору уже не придется задумываться о том, какой вход проектора надо включить с помощью пульта ДУ или какой кабель перекоммутировать в стойке. В линейке оборудования KRAMER — очень богатый выбор моделей скалеров и скалеров-коммутаторов, в том числе и HDMI масштабаторы сигналов KRAMER. Для решения практически любой задачи можно подобрать нужный прибор с необходимой конфигурацией входов и выходов.