Компьютерные средства обеспечения видеотехнологий.

Компьютерные средства обеспечения видеотехнологий 
Видеотерминальные устройства. Видеотерминальные устрой­ства предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия ее пользо­вателем. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и ви­деоконтроллера (видеоадаптера). Видеоконтроллеры входят в со­став системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавлива­емой в разъем материнской платы), а видеомониторы - это внешние устройства визуализации информации на экране. В стационарных ПК пока еще чаще всего информация визуализируется на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), в портативных ПК - на плоских индикаторах. 
Видеоконтроллеры. Видеоконтроллеры являются внутрисис­темными устройствами, преобразующими данные в сигнал, отобра­жаемый монитором, и непосредственно управляющими монитора­ми и выводом информации на их экран. Видеоконтроллер содержит: графический контроллер, специальную видеопамять, хра­нящую воспроизводимую на экране информацию, микросхемы ПЗУ, цифроаналоговый преобразователь. 
Специализированный процессор (контроллер) формирует уп­равляющие сигналы для монитора и управляет выводом закодиро­ванного изображения из видеопамяти, регенерацией ее содержи­мого, взаимодействием с центральным процессором. Контроллер с аппаратной поддержкой некоторых функций, позволяющей осво­бодить центральный процессор от выполнения части типовых опе­раций, называется акселератором (ускорителем). Акселераторы эф­фективны при работе со сложной графикой: многооконным интер­фейсом, трехмерной (3D) графикой.
Важная характеристика видеоадаптера - емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселей и их ат­рибутов. Видеоконтроллер должен обеспечить естественное каче­ственное изображение на экране монитора, что возможно при боль­шом числе воспроизводимых цветовых оттенков, высокой разре­шающей способности и высокой скорости вывода изображения на экран. 
Под разрешающей способностью здесь (так же, как и для мо­ниторов) понимается то количество выводимых на экран монитора пикселей, которое может обеспечить видеоконтроллер. При разре­шении 1024 х 768 на экран должно выводиться 786 432 пикселя, а при разрешении 2048 х 1536 - 3 145 728 пикселей. Для каждого пикселя должна храниться и его характеристика - атрибут цвета. Количество воспроизводимых цветовых оттенков (глубина цвета) зависит от числа двоичных разрядов, используемых для представ­ления атрибута каждого пикселя. Выделение четырех битов инфор­мации для кодирования цвета одного пикселя (контроллеры CGA) позволяло отображать 24= 16 цветов, 8 бит (контроллеры EGA и VGA) - 28 = 256 цветов, 16 бит (стандарт High Color), 24 бита (стан­дарт True Color в контроллерах SVGA), соответственно 216 = 65536, 224 =16 777 216 цветов. В стандарте True Color для отображения каждого пикселя обычно используются 32 бита, из них 24 или 25 -для характеристики цветового оттенка, а остальные- для служеб­ной информации.
Необходимую емкость видеопамяти для работы с графикой мож­но приблизительно сосчитать, умножив количество байтов атрибу­та одной точки на количество пикселей, выводимых на экран. На­пример, в стандарте True Color при разрешающей способности мо­нитора 1024 х 768 пикселей емкость видеопамяти должна быть не менее 2,5 Мбайта, а при разрешении 2048x1536- не менее 9,5 Мбайта. При работе с текстом необходимая емкость видеопа­мяти существенно меньше. 
Скорость вывода изображения на экран зависит от скорости об­мена данными видеопамяти со специализированным процессором, цифроаналоговым преобразователем и в несколько меньшей степени с центральным процессором. Для увеличения скорости обмена данными видеопамяти со специализированным процессором цифроанадоговым преобразователем используются:
•   увеличение разрядности и тактовой частоты внутренней шины видеоконтроллера (вплоть до 256 разрядов и 600 МГц); 
•   новейшие быстродействующие типы оперативной памяти. В качестве видеопамяти в контроллерах могут использоваться различные типы памяти DRAM как универсальные: SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM, так и особенно быстрые специализиро­ванные: SGRAM (синхронная графическая), VRAM и WRAM (двух­портовые типы видеопамяти), 3D RAM (трехмерная). 
Скорость обмена данными с центральным процессором опре­деляется пропускной способностью шины, через которую осуще­ствляется обмен. В современных компьютерах вместо шины PCI используется более скоростная шина AGP. 
В последнее время массовое распространение получила новая стандартная системная шина PCI-express, которая представляет со­бой совокупность независимых самостоятельных последовательных каналов передачи данных с пропускной способностью 200 Мбайт/с для одного канала в каждом направлении, одновременно использу­ющих избыточное защищенное от помех кодирование. Стандарт PCI-express предусматривает в качестве носителей сигнала и аль­тернативные носители сигнала - оптические волноводы, а также возможность динамического подключения и конфигурации уст­ройств. 
Поскольку в мониторы необходимо подавать аналоговый видео­сигнал, для преобразования цифровых данных, хранимых в видео­памяти, в аналоговую форму в видеоконтроллере предусмотрен Цифроаналоговый преобразователь RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) - ОЗУ с цифроаналоговым пре­образователем (в некоторых видеоадаптерах используется микро-схема ЗУПВ-ЦАП). RAMDAC преобразует результирующий циф­ровой поток данных, поступающих от видеопамяти, в уровни ин­тенсивности, подаваемые на соответствующие электронные пуш­ки трубки монитора - красную, зеленую и синюю. Помимо цифро-аналоговых преобразователей для каждого цветового канала (красного, зеленого, синего) RAMDAC имеет встроенную память для хранения данных о цветовой палитре и т.д. На качество изоб­ражения влияют такие характеристики RAMDAC, как его частота и разрядность. От частоты зависит, какое максимальное разреше­ние и при какой частоте кадровой развертки монитора сможет под­держивать видеоконтроллер. Разрядность определяет, сколько цве­тов может поддерживать видеоконтроллер. Наиболее распростра­нено 8-битное представление характеристики пикселя на каждый цветовой канал монитора (суммарная разрядность для трех цве­тов 24).
В видеоконтроллере имеются микросхемы ПЗУ двух типов: 
•   содержащие видео-BIOS - базовую систему ввода-вывода, используемую центральным процессором для первоначального за­пуска видеоконтроллера; 
•   содержащие сменные матрицы знаков, выводимых на экран монитора. 
Многие видеокарты имеют электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись информа­ции пользователем под управлением специального драйвера, час­то поставляемого вместе с видеоадаптером. Таким образом, можно обновлять и видео-BIOS, и экранные шрифты. 
Основные характеристики видеоконтроллера: 
•   режимы работы (текстовый и графический); 
•   воспроизведение цветов (монохромный и цветной); 
•   число цветов или число полутонов (монохромный); 
•   разрешающая способность (число адресуемых на экране мо­нитора пикселей по горизонтали и вертикали); 
•   емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц -это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых пу­тем прямой адресации может быть выведен на отображение в мо­ниторе); 
•   размер матрицы символа (количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора); 
•   разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной и т.д. 
Общепринятый стандарт формируют следующие видеоконтрол­леры: 
•   Hercules - монохромный графический адаптер; 
•   MDA - монохромный дисплейный адаптер (Monochrome Display Adapter); 
•   MGA - монохромный графический адаптер (Monochrome Graphics Adapter); 
•   CGA - цветной графический адаптер (Color Graphics Adapter); 
•   EGA - улучшенный графический адаптер (Enhanced Graphics Adapter); 
•   VGA - видеографический адаптер (Video Graphics Adapter), иногда его называют видеографической матрицей (Video Graphics 
Array); 
•   SVGA - улучшенный видеографический адаптер (Super 
VGA); 
•   PGA- профессиональный графический адаптер (Profes­sional GA). 
В настоящее время видеоконтроллеры типов Hercules, MDA, MGA, CGA, EGA практически не используются. 
Современные SVGA-видеоконтроллеры поддерживают разре­шение до 2048 х 1536, число цветовых оттенков - более 16,7 млн (наиболее продвинутые 32-разрядные - более 33 млн), имеют ем­кость видеобуфера до 64 Мбайт. 
Видеоконтроллер устанавливается на материнской плате как ви­деокарта в свободный разъем AGP или PCI. Некоторые видеокарты имеют вход для подключения телевизионной антенны (TV-in) и тю­нер, т.е. позволяют через компьютер просматривать телепередачи, видеофильмы с видеомагнитофона и видеокамеры; ряд видеокарт имеет разъем для подключения телевизора (TV-out), для просмот­ра видео.
Большое количество устройств, предназначенных для работ с видеосигналами на IBM PC-совместимых компьютерах условно можно разбить на несколько групп: устройства для ввода и захвата видеопоследовательностей (Capture play); фреймграбберы (Frame-grabber); TV-тюнеры, преобразователи сигналов VGATV и MPEG-плееры. 
Платы видеозахвата. Плата видеозахвата (video grabber, ви-Деограббер) выполняет захват кадров видео, их преобразование (в том числе и оцифровку) и запись в память компьютера.
Платы видеозахвата бывают двух типов: 
•   грабберы кадров (frame grabber) предназначены для захвата неподвижных изображений; 
•   платы захвата (capture board) могут захватывать целые ви­деофильмы. Они позволяют получать с видеокамеры или видео­магнитофона, а при наличии тюнера и с антенны отдельные теле­визионные кадры и их связанные последовательности для даль­нейшей обработки в компьютере и вывода на принтер или обратно на видео. 
При оцифровке видеосигнала формируются огромные масси­вы информации. Поэтому возникают серьезные проблемы с дина­микой процесса, ибо для пересылки одного 256-цветного полноэк­ранного изображения с разрешающей способностью 1024 х768 пик­селей необходимо передать около 1 Мбайта данных, что может потребовать до 10 с и более. Даже при слабом разрешении 640 х 480 пикселей объем данных все равно велик - чуть меньше 0,5 Мбайта. 
В связи с этим платами видеозахвата уменьшаются размеры кад­ров: например, при разрешающей способности всего экрана 640 х х 480 кадр имеет размер 80 х 60, 160 х 120 (одна шестнадцатая часть экрана, используемая обычно для видео в среде Windows), 240 х х 180 или 320 х 240 (в пикселях). Существуют высококаче­ственные платы, которые могут воспроизводить видеокадры в пол­ный экран, но и они, как правило, не могут осуществлять полноэк­ранный захват. 
Ввиду большого объема видеофайлов при передаче и записи в память выполняется компрессия видеоданных; при воспроизведе­нии картинки выполняется обратная процедура - декомпрессия. В настоящее время существует несколько методов сжатия данных, реализуемых как программно, так и аппаратно. Средства сжатия данных обычно называют КОДЕКами (CODEC - Compressor-DECompressor). Широкое распространение получили, например, КОДЕКи: Motion JPEG-INDEO, Cinepak и т.д. 
Платы видеозахвата второго типа, несмотря на указанные труд­ности, открывают широкие перспективы по созданию и обработке динамических изображений в реальном масштабе времени - живо­го видео. 
TV-тюнеры. Эти устройства преобразуют аналоговый видео­сигнал, поступающий по сети кабельного телевидения или от ан­тенны, от видеомагнитофона, или камкодера (camcorder). TV-тю- 
неры могут входить в состав других устройств, таких, как MPEG-плееры или фреймграбберы. Некоторые из них имеют встроенные микросхемы для преобразования звука. Ряд тюнеров имеет возмож­ность для вывода телетекста. 
фреймграбберы. Как правило, фреймграбберы объединяют графические, аналогово-цифровые и микросхемы для обработки видеосигналов, которые позволяют дискретизировать видеосигнал, сохранять отдельные кадры изображения в буфере с последующей записью на диск либо выводить их непосредственно в окно на мониторе компьютера. Содержимое буфера обновляется каждые 40 мс, т.е. с частотой смены кадров. Вывод видеосигналов проис­ходит в режиме наложения (overby). Для реализации окна на экра­не монитора с «живым» видео карта фреймграббера соединена с графическим адаптером через 26-контактный Feature-коннектор. 
Преобразователи VGA-TV. Данные устройства транслируют сигнал в цифровом образе VGA-изображения в аналоговый сигнал, пригодный для ввода на телевизионный приемник. Производители обычно предлагают подобные устройства, выполненные либо как внутренняя ISA-карта, либо как внешний блок. Ряд преобразовате­лей позволяет накладывать видеосигнал, например, для создания титров. 
MPEG-плееры. Данные устройства позволяют воспроизводить последовательности видеоизображения (фильмы), записываемые на компакт-дисках с качеством VNS. Скорость потока сжатой инфор­мации не превышает обычно 150 Кбайт/с. Основная сложность за­дачи, решаемой MPEG-кодером, состоит в определении для каж­дого конкретного видеопотока оптимального соотношения между тремя видами изображения: (I)ntra, (P)redicted и (B)idirectional. 
Цифровые фото- и видеокамеры. Цифровые фотокамеры – оптико-электронные устройства, используемые для получения цифровых фото- и видеофильмов. 
В цифровой, в отличие от оптической, фототехнике роль свето­чувствительного элемента выполняют Charged Coupled Device (CCD-матрицы), или CCD-линейки, преобразующие изображение в последовательность электрических импульсов цифрового кода. Принцип действия цифровой фотокамеры состоит в следующем: пучок лучей света от объекта съемки, проходя через линзу (или систему линз) объектива и диафрагму, попадает на матрицу CCD. Матрица CCD, или, как ее еще называют, ПЗС (преобразователь свет-сигнал), представляет собой прямоугольную матрицу из све­точувствительных элементов. Луч света, попадая на чувствитель­ный элемент, преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Аналоговые сигналы от CCD преобразуются в цифровые, обраба­тываются и записываются в память. Преобразование сигналов в цифровую форму производится с помощью аналого-цифрового преобразователя ADC. Кроме CCD, ADC и памяти в электричес­кую схему цифровой фотокамеры входят процессор DSP, который формирует изображение из цифровых потоков, и конвертор JPEG, сжимающий изображения для увеличения количества хранимых кадров. 
Современный цифровой фотоаппарат обеспечивает широкий выбор уровней разрешения регистрируемых кадров от максималь­ного в 3504x2336 до стандартного 1280x1024 и низкого 320х 240, В основном ориентированного на задачи Интернета. Для хранения изображений используются сменные карты флэш-памяти значительной емкости (не менее 16 Мбайт). Помимо сменных карт многие модели цифровых фотокамер имеют встроенную память, которая используется как буфер для ускорения процессов внутренней об­работки кадров и записи последовательных кадров. Каждый циф­ровой фотоаппарат имеет стандартный набор функций автомати­ческой установки параметров съемки: фокуса, выдержки, экспози­ции, диафрагмы, расстояния фокусировки, ручной коррекции экспозиции. Почти обязательной чертой оптического видоискате­ля является возможность диоптрийной коррекции. Встроенная вспышка (до 5-6 различных режимов) дальностью действия не менее 3м. Все чаще цифровые камеры оснащаются дополнитель­ным цифровым USB-выходом. Скорость передачи данных при этом возрастает в десятки раз, процесс перекачки больших кадров зани­мает всего несколько секунд.

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.