Karty graficzne+wideo wyklad


Karty graficzne


Karty graficzne

Głównym elementem systemu komputerowego odpowiedzialnym za tworzenie obrazu jest karta graficzna. Od jej parametrów i osiągów zależy końcowa jakość oglądanego na ekranie monitora tekstu, grafiki czy sekwencji wideo. Karta sterownika graficznego ma za zadanie nie tylko wyświetlanie obrazu, ale może również aktywnie współuczestniczyć w jego tworzeniu, czasem nawet zupełnie wyręczając w tej materii główny procesor komputera. Wyświetlaniem obrazu zajmuje się układ przetwornika RAMDAC (Random Access Memory Digital Analog Converter - przetwornik analogowo-cyfrowy pamięci RAM). Odpowiednio zaprogramowany, w celu ustawienia parametrów właściwego trybu graficznego, odczytuje on zawarte w pamięci karty bajty opisujące kolory poszczególnych pikseli (to w trybach graficznych; w trybach tekstowych z pamięci czytane są kody znaków oraz ich atrybuty - kolor, migotanie itp. - a informacja o ich wyglądzie pochodzi z generatora znaków). Na podstawie odczytanych informacji RAMDAC generuje sygnały elektryczne sterujące monitorem. Za budowanie obrazu w pamięci karty odpowiada jej procesor - wyspecjalizowany układ scalony, zwany także akceleratorem. Na żądanie drivera (sterownika programowego) potrafi on wykonywać podstawowe i najczęściej używane operacje graficzne, np. kreślenie odcinków, rysowanie prostokątów, wypełnianie i kopiowanie obszarów, co znacznie przyspiesza nie tylko działanie programów użytkowych, ale także - a może przede wszystkim - graficznych interfejsów użytkownika (Windows). W praktyce nierzadko zdarza się, że akcelerator działa tylko w niektórych wyższych trybach, zaś w trybach o gorszych parametrach karta działa jako tzw. bufor ramki (frame buffer) - wszystkie operacje graficzne wykonuje główny procesor komputera. Trzecim elementem karty jest pamięć obrazu, przy czym występuje kilka jej rodzajów. Najczęściej spotykanym - bo najtańszym - jest klasyczny DRAM (Dynamic RAM). Pamięć taka zwana jest pamięcią jednoportową, ponieważ zarówno zapis, jak i odczyt informacji dokonywany jest przez to samo wyprowadzenie układu. Gdy DRAM pracuje w charakterze pamięci operacyjnej komputera, takie rozwiązanie w niczym nie przeszkadza. Jednak w przypadku sterownika graficznego powoduje to konieczność dzielenia dostępu do pamięci pomiędzy RAMDAC i procesorem, co zmniejsza wydajność systemu. Aby uniknąć takich konfliktów dostępu skonstruowano pamięci dwuportowe, których najczęściej spotykanym typem jest VRAM (Video RAM). Pamięci takie mają osobne wejście (dla procesora) i wyjście (dla przetwornika RAMDAC). Istotnym mankamentem VRAM jest cena - pamięci te są droższe od DRAM. Niedawno pojawiły się inne dwuportowe pamięci do kart graficznych nazwane WRAM (Window RAM), różniące się od VRAM m.in. sposobem dostępu, nieco większą szybkością i niższą ceną.

Magistrale lokalne

Na początku była magistrala ISA (Industry Standard Architecture), taktowana zegarem 8 MHz, 16-bitowa, wolna (2,5 MB/s) ale niezawodna i stosowana powszechnie. Bardzo długo robiono wszystko, aby wyciągnąć z niej najwięcej, jak tylko się dało. Niestety, nawet najszybsze karty działające z ISA, czyli Tseng i ATI, są wolniejsze od niemal każdej karty przystosowanej do szyny lokalnej. Pierwsze magistrale lokalne, dające możliwość bezpośredniej komunikacji procesora ze sterownikiem graficznym, pojawiły się w 1992 roku. Na targach CeBIT kilku producentów pokazało własne rozwiązania, zaś pod koniec roku organizacja VESA (Video Electronics Standards Association) zaproponowała standard magistrali lokalnej. Według tego standardu możliwe było podłączenie, przez odpowiednie złącze umieszczone na płycie głównej, dwóch urządzeń bezpośrednio do procesora. Dodatkowe złącza są przedłużeniem standardowej ISA i możliwe jest włożenie do nich zarówno starych (ISA), jak i nowych kart (VESA Local Bus). Poza kartami graficznymi, spotyka się na rynku także inne urządzenia wejścia/ wyjścia współpracujące poprzez VL-Bus. Są to zazwyczaj szybkie kontrolery z pamięcią podręczną lub karty sieciowe, takie jak Ethernet. Optymalnym rozwiązaniem byłoby więc podłączenie jednocześnie trzech kart bezpośrednio do procesora, podczas gdy standard przewiduje dwa złącza. Wychodząc z takiego założenia, niektórzy producenci sprzedawali płyty główne z trzema magistralami lokalnymi VL-Bus. Do zalet magistrali VL-Bus należy zaliczyć możliwość podłączenia, obok szybkiego urządzenia graficznego, bezpośrednio do procesora również innych urządzeń I/O. Ważna jest standardowość rozwiązania (poparta przez organizację VESA) oraz bezproblemowa wymienialność starych modeli kart na nowsze. Należy tu wspomnieć o tym, że w zasadzie ceny płyt głównych z magistralą VL-Bus niewiele się różniły od tych, które nie zostały w nią wyposażone. Do wad trzeba zaliczyć zależność od procesora (wskazane było używanie i486, bardzo rzadko spotykało się rozwiązania z Pentium) i ograniczona przepustowość. Polegała ona na tym, że przy częstotliwości 33 MHz i trzech urządzeniach potrzebne było wprowadzenie dodatkowych cykli oczekiwania (wait states), przy 40 MHz można było podłączyć tylko jedną kartę, a przy jeszcze większej częstotliwości zegara podłączenie jakiejkolwiek karty VL-Bus nie było wskazane. Inna dość uciążliwa wada polegała na tym, że procesor musiał być wstrzymany na czas transferu danych do/z pamięci (tzw. bus master mode urządzenia wejścia/wyjścia). W zasadzie nie stwarzało to bardzo dużego problemu jeśli chodziło o sterowniki graficzne, ale dawało się we znaki w przypadku kontrolerów dyskowych. VL-Bus nie zapewniał również pełnego trybu seryjnego procesora (burst mode). Konkurencją dla kart i płyt głównych VESA Local Bus jest szyna PCI (Peripherial Connector Interface). Standard ten został opracowany przez założoną na początku 1992 roku grupę, która chciała stworzyć magistralę pozbawioną wad VL-Bus i nazwała się PCI Special Interst Group. Na początku sponsorował ich Intel, ale z czasem dołączyły takie firmy jak Compaq czy Dell. Ostateczny standard zdefiniowano pod koniec 1992 roku, a pierwsze egzemplarze sprzętu weń wyposażone pojawiły się w sprzedaży w drugiej połowie 1993 roku. W odróżnieniu od VL-Bus, PCI nie wykorzystuje bezpośredniego podłączenia do procesora, lecz jest oddzielną 32-bitową magistralą I/O taktowaną częstotliwością 33 MHz. Także inaczej niż w przypadku VL-Bus wyglądają złącza umieszczone na płycie głównej, nie są to bowiem zwykłe rozszerzenia istniejących już złącz ISA, ale zupełnie nowy typ złącza. Możliwe jest zainstalowanie na płycie głównej kilku (do pięciu) złącz PCI oraz wbudowanie bezpośrednio dwóch urządzeń. Wynika z tego, że PCI jest lepszy od VL-Bus między innymi dlatego, że można podłączyć więcej urządzeń. Wydajność PCI i VL-Bus stoi na podobnym poziomie (132 MB/s przy częstotliwości taktowania magistrali 33 MHz). Podobnie rzecz się ma ze standardowością rozwiązań: standard VL-Bus był ogólnie przyjęty, ale również PCI jest dobrze udokumentowany i powszechnie kompatybilny. W dobie panowania Pentium VL-Bus umarł jednak śmiercią naturalną i PCI opanowało rynek. stało się tak dlatego, że w przypadku szyny lokalnej PCI uniknięto kilku wad jakimi obarczony był standard VL-Bus, chodzi między innymi o niezależność PCI od procesora (PCI może współpracować zarówno z 486, Pentium, R4000,...), równoległość pracy itp. Nieważna staje się także częstotliwość taktowania procesora - może to być zarówno 33 MHz, jak i 150. Procesor nie musi wcale pracować z taką samą częstotliwością jak magistrala (a tak musiało być w przypadku VL-Bus). Uniknięto także potrzeby wstrzymywania procesora na czas dostępu urządzenia do pamięci, gdyż zastosowano odpowiednią pamięć podręczną, która umożliwia pracę procesora, podczas gdy urządzenie korzysta równocześnie z pamięci. Ważną zaletą PCI jest zdolność do automatycznej konfiguracji (Plug and Play), co pozwala użytkownikowi uniknąć kłopotliwego ustawiania przerwań, kanałów DMA czy też adresów urządzeń wejścia/ wyjścia. Po włożeniu nowej karty nie ma potrzeby przestawiania żadnych zworek, gdyż wszystko jest robione automatycznie. Wszystko to powoduje, że obecnie karty graficzne są szybsze i mogą być wyposażone w procesory już nie tylko 32-, ale 64- i 128-bitowe, bo istnieje już możliwość szybkiego przesyłania dużej liczby danych pomiędzy procesorem i sterownikiem. Wkrótce zapowiadane jest rozpowszechnienie PCI 2.1, które ma być niezgodne złączowo z obecnym PCI 2.0. Szerokość magistrali ma wynosić 64 bity, a szybkość transmisji wynosić będzie 264 MB/s przy częstotliwości taktowania 33 MHz. Na dużą liczbę danych oprócz samej rozdzielczości, czyli sporej liczby pikseli, składa się też informacja o kolorze. Dawniej istniały tryby dwu-, cztero- czy szesnastokolorowe. Wtedy nie było problemu, gdyż jeden piksel zajmował 1, 2 czy 4 bity. W chwili obecnej rzadko operuje się już nawet 256 kolorami, a standardem jest 16,7 miliona. W takim przypadku informacja o kolorze zajmuje 24 bity, a czasem nawet 32, jeżeli dodano kanał alpha. Dlaczego aż tyle? Aby obraz był bardziej realistyczny stosuje się opis modelem RGB ( odzwierciedla on prawie realnie barwy widzialne ze świata naturalnego), w którym przeznaczamy po osiem bitów na każdą barwę składową.

Dzisiejsze karty graficzne

Dziś faktycznie standardem stały się karty graficzne klasy SVGA. Całkowicie zniknął z rynku standard VESA Lokal Bus, bezlitośnie wyparty przez magistralę PCI. Standardem są dziś karty akceleratorowe z 64-bitowymi procesorami graficznymi, wspierające grafikę i obraz wideo, w pełni zgodne ze specyfikacją DCI (Display Control Interface). Za jej pośrednictwem aplikacje mają bezpośredni dostęp do pamięci obrazu, dzięki czemu można np. wyświetlać filmy z prędkością 30 klatek na sekundę. Karty nie mają również problemu ze specyfikacją DDC (Display Data Channel). Standard ów, opracowany przez VESA, pozwala na komunikowanie się karty z monitorem i ustalenie optymalnych parametrów odświeżania. W ten sposób monitor nie jest narażony na uszkodzenie sygnałem o zbyt wysokiej częstotliwości. Wśród układów pamięci obrazu nadal dominują konwencjonalne, jednoportowe (DRAM) oraz dwuportowe (VRAM, WRAM). Nowością jest natomiast zastępowanie układów DRAM i VRAM odpowiednimi układami typu EDO (Extended Data Out) pozwalającymi na rozpoczęcie odczytu danych jeszcze w czasie trwania poprzedniego cyklu odczytu. Obecnie standardem stają się 2 MB pamięci obrazu, często z możliwością dalszej rozbudowy. Olbrzymi skok widać również w parametrach użytkowych układów przetworników cyfrowo-analogowych (RAMDAC). Oferują 24-bitową paletę kolorów, a prędkość ich pracy zwiększyła się do tego stopnia, że zapewniają w niższych rozdzielczościach minimum 100 Hz częstotliwości odświeżania obrazu (dla zapewnienia stabilnego obrazu częstotliwość odświeżania nie powinna być niższa niż 72 Hz). Na rynku układów graficznych prym wiedzie firma S3 Incorporated. Silną pozycję zapewniły jej serie szybkich i tanich 64-bitowych procesorów Vision868/968 i Trio64/64V+ oraz najnowsze „dzieci” - ViRGE i ViRGE/VX - układy przeznaczone głównie do tworzenia szybkiej grafiki trójwymiarowej. Oba wspomniane procesory są jednymi z pierwszych rozwiązań łączących w sobie funkcje akceleratora wideo i 2D GUI (Graphics User Interface), możliwość połączenia z popularnymi dekoderami NTSC i PAL, rendering 3D oraz układ RAMDAC. ViRGE współpracuje z pamięciami RAM lub EDO RAM, ze 135 MHz układem RAMDAC, a maksymalne osiągane parametry wynoszą 1280x1024x256 przy 75 Hz (obsługuje do 4 MB pamięci). Możliwości ViRGE/VX są nieco większe. Potrafi obsłużyć pamięci VRAM oraz WRAM, współpracuje ze zintegrowanym układem RAMDAC 220 MHz i osiąga rozdzielczość 1600x1200xTrueColor przy 75 Hz (obsługuje do 8 MB pamięci). Przebojem ostatniego roku był najnowszy procesor graficzny znanej firmy Tseng Labs - ET6000. Jest to 128-bitowa kość, z niesamowitymi, wręcz przełomowymi, możliwościami. Do najciekawszych jej możliwości należy szybka obsługa pamięci, tzw. MDRAM (Multibank DRAM) i możliwość wyświetlania na ekranie jednocześnie czterech okien z sekwencjami wideo pełnej rozdzielczości i z prędkością 30 klatek na sekundę. Postawiono więc tu przede wszystkim na multimedia i takie zapewne będą również inne nowoczesne karty graficzne. Prototypową kartę z układem ET6000 uznano na targach Comdex `95 za najszybszą kartę świata.

Analiza wybranych kart graficznych.

STB Powergraph 64 3D, STB Velocity 3D

Oba urządzenia znanej firmy STB Systems - Powergraph 64 3D i Velocity 3D - wyposażone są w układy S3, przy czym są to odpowiednio ViRGE i ViRGE/VX. Pierwsza karta stanowi alternatywę dla mniej wymagających, gdyż zainstalowanej pamięci 2 MB EDO DRAM nie można już rozszerzyć. W drugiej natomiast do standardowo zainstalowanych 4 MB EDO VRAM dołożyć można kolejne 4 MB. W obu urządzeniach spełnione zostały wymagania norm VESA DDC-2B (Plug and Play) i VESA DPMS (zarządzanie poborem mocy).

Podczas testu w środowisku Windows 95 w trybie wysokiej rozdzielczości przy 256 kolorach testowane karty nie odznaczały się większą wydajnością w porównaniu z prostą kartą opartą na „modnym” ostatnio układzie S3 Trio64V+. Karty z ViRGE-ami ujawniły swoją przewagę po przejściu w tryb HiColor (16-bitowa paleta kolorów) i TrueColor (24-bitowa paleta kolorów) - różnica wydajności testowanych kart wyniosła średnio 8% na korzyść Velocity. Pełnię swych możliwości nowe układy ukazały dopiero w czasie testu polegającego na odtwarzaniu plików formatu MPEG w trybie pełnoekranowym z rozdzielczością 800x600 przy 24-bitowej palecie kolorów. Również w tym przypadku wyższą wydajnością wykazał się model Velocity, który zoptymalizowany został pod kątem wyświetlania animacji na pełnym ekranie. Nic jednak za darmo! Mimo utrzymania 48 kl./s, obraz wygląda jak po zastosowaniu efektu kwantowania. Sytuacja taka nie występuje w modelu Powergraph, jednak liczba odtwarzanych klatek daleka jest od ideału - 4,5 kl./s.

Wykorzystanie nowej technologii DirectX zaowocowało zwiększeniem wydajności testowanych kart podczas obsługi aplikacji 3D. DirectX to nazwa stworzonego przez Microsoft zestawu interfejsów programowych dla Windows 95, umożliwiających m.in. szybki dostęp do pamięci karty graficznej (DirectDraw) oraz jej funkcji 3D (Direct3D). Różnica w wynikach testu kart przy 256 kolorach była niemal symboliczna. Obie karty potrafią odświeżyć do 254 tysięcy pikseli w ciągu sekundy, co wystarcza na płynną obsługę jakichkolwiek aplikacji 3D. Po przejściu w tryb koloru 16-bitowego, model Powergraph „zwolnił” około 15%, natomiast Velocity utrzymał poprzednią wydajność. Najsłabiej wypadł tryb TrueColor, gdzie spadek prędkości obu kart w zastosowaniach 3D był najbardziej odczuwalny.

Test DOS-owy ukazał możliwości i prędkość obsługi aplikacji CAD. Zastosowanie jednakowych sterowników dla obu kart dało zbliżone wyniki - przewaga Velocity 3D nie przekraczała 3-5%.

Do obu urządzeń dołączono sterowniki w kilku językach - w tym także i polskim. W komplecie Velocity oprócz standardowego zestawu sterowników, znajduje się także program Colorific, wraz ze specjalną wkładką przystawianą do monitora, służący do kalibracji kolorów w sposób pozwalający na wierne odtworzenie kolorów z monitora na drukarce.

Powergraph 64 3D - ze względu na dużą wydajność i niską cenę jest godna polecenia konsumentom rynku SOHO, natomiast Velocity 3D wyposażona w 4 lub 8 MB pamięci zaspokoi oczekiwania wymagających grafików.

STB Lightspeed 128

STB Lightspeed 128 jest 128-bitową kartą graficzną, wykorzystującą procesor ET6000 i mającą 2,25 MB pamięci MDRAM. Maksymalna rozdzielczość pracy wynosi 1280x1024, dla której wyświetlane jest 256 kolorów. Częstotliwość odświeżania obrazu przy tej rozdzielczości wynosi 75 Hz. W trybie 800x600 i niższych można uzyskać 24-bitową paletę kolorów i maksymalną częstotliwość odświeżania 100 Hz (w przypadku mniejszej ilości kolorów, nawet 160 Hz).

W przeciwieństwie do wielu akceleratorów graficznych, które używają zegara 50 MHz, Lightspeed 128 korzysta z zegara 90 MHz, uzyskując w ten sposób prawie dwukrotnie większe „pasmo” pracy. Procesor połączony jest z pamięcią 128-bitową, wewnętrzną magistralą danych, dzięki której wewnętrzny transfer danych równy jest 720 MB/s. Zapewnia to wydajność niezbędną do przetwarzania ogromnych strumieni danych, pochodzących z aplikacji wideo i grafiki trójwymiarowej. Moc nowej karty pochodzi w dużej mierze z nowego procesora i pamięci.

Sercem karty STB jest najnowszej generacji procesor - ET6000 firmy Tseng Labs. Zastosowano w nim wiele nowatorskich rozwiązań, które spowodowały, iż jest on jednym z najszybszych i najbardziej wszechstronnych procesorów graficznych.

ET6000 może pobierać sygnał wideo z różnych źródeł jednocześnie, poddawać transformacji kolorów, skalować, a następnie wyświetlać z prędkością 30 klatek na sekundę w trzech oknach przy jednoczesnym niskim obciążeniu CPU komputera. Rozwiązanie takie nie zakłóca i nie spowalnia pracy innych programów. Dzięki sterownikom dla Windows 95 Lightspeed 128 może w pełni wykorzystać zalety specyfikacji DirectX stworzonej przez Microsoft, w celu przyspieszenia działania aplikacji graficznych. Kolejną z zastosowanych innowacji jest pamięć Multibank DRAM (MDRAM) firmy MoSys, która ma być, według zapewnień producenta, do 400% bardziej wydajna od szybkich układów VRAM. Te rozwiązania zapewniają wydajność i pasmo wymagane przez dzisiejsze aplikacje graficzne.

W zestawie z kartą znajdują się sterowniki dla Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, AutoCAD-a (Panacea Classic), program do odtwarzania plików MPEG - Xing MPEG oraz zestaw gier na CD-ROM-ach. W testach wydajności karta uzyskała bardzo dobre rezultaty zarówno w aplikacjach graficznych, jak i biznesowych. W testach odtwarzania wideo standardu MPEG i AVI nie miała sobie równych.

Karta STB Lightspeed 128 jest zgodna ze standardami VESA, DCI i Plug and Play. Doskonale nadaje się zarówno do trójwymiarowych gier wymagających dużej szybkości, symulacji, programów edukacyjnych oraz rozrywki domowej.

Karty wideo

Jedną z podstawowych form przekazu multimedialnego jest ruchomy obraz, czyli wideo. Postęp w technice komputerowej spowodował, że nieosiągalne jeszcze niedawno dla przeciętnego użytkownika, połączenie komputera z urządzeniem edytującym obraz wideo stało się realne. Wszystko to możliwe jest dzięki powstaniu instalowanych w komputerach PC tzw. kart wideo. I jak to zwykle bywa w z urządzeniami nowej technologii, powstają najróżniejsze, konkurujące ze sobą rozwiązania. Pod nazwą kart wideo kryje się wszystko, co da się podłączyć do magnetowidu. Karty te przejmują na siebie więcej lub mniej funkcji związanych z przetwarzaniem sekwencji wideo, łącząc niekiedy w sobie dodatkowe możliwości dźwiękowe i graficzne. Próby digitalizacji obrazu wideo przeznaczonego do dalszej obróbki przy pomocy komputera PC mają oczywiście długą historię. Jednak wszelkie wysiłki podejmowane w tym celu zawsze kończyły się najwyżej częściowym sukcesem - na przeszkodzie stały ogromne wymagania pamięciowe cyfrowej wizji. Do digitalizacji jednej sekundy sekwencji wideo zapisanej w systemie PAL, nawet ograniczając paletę kolorów do 256 (czyli 1 bajtu na piksel), potrzebne jest 10,8 MB miejsca na nośniku - i oczywiście wystarczająco szybki nośnik, by przesłać taką ogromną ilość danych w tak krótkim czasie. Aby więc zdigitalizowany obraz wideo nie pozostał jedynie domeną superkomputerów, tak duże zbiory danych muszą zostać poddane znacznej kompresji. Nieodwracalne (stratne) techniki kompresji (np. MPEG) są w tym przypadku znacznie bardziej efektywne niż metody bezstratne (np. GIF), jednak z oczywistych względów mają ograniczone zastosowanie (kompresja zdjęć, kompresja danych wideo i audio). Wykorzystują bowiem fakt, że ludzkie organy zmysłu przekazują do mózgu tylko część odebranych informacji. Cała reszta danych wizualnych i dźwiękowych jest więc zupełnie zbyteczna i może zostać „odfiltrowana” przez odpowiedni algorytm kompresji. Do najbardziej perspektywicznych kompresorów audio i wideo zalicza się wspomniana już technika MPEG. Proces kompresji sekwencji wideo metodą MPEG jest bardzo złożony obliczeniowo, jednak umożliwia uzyskanie współczynnika kompresji dochodzącego do 200:1, co pozwala na zapisanie na jednym dysku CD-Video ponad 70 minut filmu wideo jakości VHS wraz z towarzyszącym mu dźwiękiem. Dekompresja filmu MPEG jest, podobnie jak i kompresja, niełatwym zadaniem - bez dodatkowego wspomagania dopiero procesor Pentium jest w stanie podołać mu w zadowalającym stopniu. Jednak obecnie wiele kart wideo wyposażanych jest w sprzętowe dekodery MPEG - specjalizowane układy dekodujące skompresowany strumień danych wideo w czasie rzeczywistym. Pozwala to na skorzystanie z cyfrowej filmoteki także właścicielom słabszych od Pentium komputerów. Obecnie istnieje już znaczna liczba algorytmów kodowania, opracowanych pod kątem różnych obszarów zastosowań. Najczęściej używane obecnie formaty kompresji to:

Pod koniec lat osiemdziesiątych utworzona przez organizację ISO grupa MPEG (Motion Picture Expert Group) rozpoczęła prace nad standardem cyfrowego zapisu ruchomych obrazów. Pierwszym owocem prac zespołu była norma MPEG-1, oparta na wcześniejszych specyfikacjach M-JPEG oraz H.261 komitetu CCITT (Consultative Committee for International Telegraphe and Telephone).

Stosunkowo prosta technika Motion-JPEG polega na kompresji pojedynczych zdjęć do formatu JPEG, które są następnie kolejno umieszczane w archiwum. Taki sposób kompresji ma tę zaletę, że sekwencje M-JPEG mogą być później bez problemu przetwarzane za pomocą odpowiednich programów. Słabą stroną jest niski współczynnik kompresji. Technika M-JPEG nigdy nie została w pełni ujednolicona; nie opracowano też żadnego standardu dołączania informacji audio do plików zapisanych w tym formacie.

Na podstawie doświadczeń zebranych przy pracy z technikami M-JPEG i H.261 grupa MPEG opracowała nowe normy MPEG-1 i MPEG-2. W odróżnieniu od swoich poprzedników standard MPEG jest znacznie bardziej uniwersalny. Jego dostosowanie do potrzeb różnych aplikacji nie sprawia większych problemów.

Kodowanie obrazu metodą MPEG jest operacją o bardzo dużej złożoności obliczeniowej. Do kompresji w czasie rzeczywistym tradycyjne pecety nie nadają się więc zupełnie. Specjalne programy generujące pliki MPEG z sekwencji wideo w formacie AVI (tzw. Software-Codes) potrzebują bowiem na konwersję jednominutowego filmu co najmniej 30 minut!

Na szczęście dekodowanie MPEG nie jest już tak skomplikowane. Na rynku dostępne są niedrogie karty rozszerzające do pecetów, a niektórzy producenci kart graficznych instalują od razu na swoich produktach dekodery MPEG lub oferują je jako opcje. Również przy użyciu software'owego dekodera (np. Xing-Player) na komputerze z procesorem Pentium można odtwarzać pliki MPEG - jednak odtwarzanie nie jest tak płynne, jak w przypadku rozwiązań hardware'owych.

Standardowo oryginalne sekwencje wideo dysponują rozdzielczością barw o proporcjach 4:2:2. W ten sposób określa się wzajemny stosunek kolejnych komponentów sygnału wideo: Y (jasność), Cr i Cb (różnice barw). Kompresję danych osiąga się poprzez redukcję rozdzielczości, do której stosuje się tzw. filtry dziesiątkujące. Rozdzielczość pozioma jest zmniejszana o połowę w wyniku operacji ważonego uśrednienia poszczególnych pikseli z jednoczesnym eliminowaniem niektórych sąsiednich punktów. W kierunku pionowym wykonuje się albo taką samą operację filtrowania, albo usuwa się po prostu co drugą linię obrazu. W ten sposób uzyskuje się obraz o rozdzielczości barw 4:2:0.

W czasie wyświetlania skompresowanych sekwencji wideo musi zostać ponownie przywrócona pierwotna rozdzielczość. W tym celu również wykorzystuje się ważone uśrednienie (interpolację). Poszczególnymi wagami są tu współczynniki filtrujące, wchodzące w skład tzw. filtra interpolacji.

W sekwencjach wideo kolejne obrazy są do siebie bardzo podobne. Nawet w przypadku dynamicznych scen różnice pomiędzy poszczególnymi obrazami (ramkami) nie są duże. Tę prawidłowość wykorzystuje właśnie technika MPEG. Występujący między kolejnymi ramkami ruch danego obiektu lub osoby jest przekształcany do postaci wektora (Motion Vector).

Z uwagi na fakt, że rozpoznawanie złożonych obiektów jest w praktyce zbyt skomplikowane, analizie poddawane są małe fragmenty obrazu o wymiarach 16x16 pikseli (Macroblocks). Dla każdego bloku algorytm kompresji oblicza jego lokalne przesunięcie w stosunku do poprzedniego obrazu. Następnie ustalane są różnice zawartości w ramach takiej pary bloków. W wyniku opisanej operacji powstaje tzw. błędny obraz, który jest zapamiętywany na dysku. Złożoność obliczeniowa operacji zapisu wektora ruchu i błędnego obrazu jest tym mniejsza, im mniejsze są różnice między dwoma kolejnymi ramkami.

Opisana technika określana jest mianem blokowej kompensacji ruchu (Motion Compensation). Tę skomplikowaną procedurę matematyczną wykonuje mechanizm kodujący MPEG.

Typy obrazu MPEG

Dla potrzeb kompensacji ruchu mechanizm MPEG wykorzystuje trzy typy obrazu: I (Intra), P (Predictive-coded) i B (Bidirectional predictive-coded).

Obrazy typu I zawierają skompresowaną informację dotyczącą pojedynczego, kompletnego obrazu (można go porównać z ramkami techniki M-JPEG). Obrazy Intra są zapisywane w ciągu danych mniej więcej co pół sekundy. Umożliwia to szybkie przeglądanie w obu kierunkach skompresowanego materiału wideo. Na podstawie ramek typu I tworzone są obrazy P i B.

Obrazy typu P tworzone są poprzez wykrywanie wektorów ruchu i przewidywanie na ich podstawie, jak będzie wyglądała następna ramka. Dla obrazu P zapisywane są następnie tylko różnice pomiędzy obrazem przewidywanym a rzeczywistym. Zarówno ramki typu P, jak i I służą również jako punkty odniesienia przy ustalaniu wektorów przesunięcia.

Obraz typu B generowany jest na podstawie wcześniejszej i późniejszej ramki P lub I (a więc dwukierunkowo), bądź wyliczany za pomocą interpolacji sąsiednich obrazów.

Sekwencja klatek jest więc kodowana według schematu: ...IBBPBBPBBI... Dźwięk kodowany jest osobno, przy czym standard MPEG zapewnia mechanizmy precyzyjnej synchronizacji dźwięku z odpowiadającym mu obrazem.

W trakcie wyświetlania sekwencji MPEG następuje odtworzenie oryginalnych ramek. Procedura odkodowania przebiega w następujący sposób: najpierw dekoduje się obraz I, co jest zadaniem prostym, gdyż zawiera on kompletną informację. Następnie za pomocą ramki I odkodowywany jest pierwszy obraz P. Obie ramki muszą nadal pozostawać w pamięci, gdyż kolejne pary obrazów B są rekonstruowane na podstawie ramek I i P.

MPEG-1

Kompresję zgodną z normą MPEG-1 wykorzystują standardy Video-CD, CD-I, Video-on-Demand, CD-Karaoke oraz interaktywne gry wideo. Przy standardowych rozdzielczościach obrazu szybkość transmisji danych wynosi ok. 192 kB/s. Z uwagi na to, w większości wypadków dane MPEG zapisane są na płycie CD, parametry transmisji zostały zoptymalizowane pod kątem napędów Single Speed. Poza CD-ROM-ami funkcję nośników danych zapisanych w standardzie MPEG-1 mogą pełnić także sieci lokalne oraz sieć ISDN.

MPEG-2

Norma MPEG-2 została zdefiniowana z myślą o telewizji cyfrowej. Jest ona obecnie stosowana w przypadku telewizji satelitarnej oraz usług Video-on-Demand świadczonej za pośrednictwem kabla szerokopasmowego. Podstawowe zasady kompresji określane przez normy MPEG-1 i -2 są w zasadzie identyczne. Obie metody pozwalają też z reguły na uzyskanie jednakowych współczynników kompresji. Norma MPEG-2 umożliwia jednak dodatkowo realizację następujących funkcji:

MPEG-3

Standard ten został opracowany pod kątem kompresji filmów HDTV o maksymalnej rozdzielczości 1920x1080 pikseli. Szybko okazało się jednak, że do tego celu równie dobrze nadaje się specyfikacja MPEG-2. Z tego też względu dalsze prace nad standardem MPEG-3 zostały przerwane.

MPEG-4

Prace nad tym standardem rozpoczęły się na początku 1993 roku, a ich zakończenie planowane jest dopiero na koniec roku 1998. Norma MPEG-4 ma być stosowana do transmisji obrazu wideo z niewielką szybkością (4,8 - 74 kbit/s). Standard ten może więc zostać wykorzystany w stacjonarnych i przenośnych wideotelefonach, grach komputerowych czy usługach typu multimedia, poczta elektroniczna i Multimedia Videotext.

Głównym celem specyfikacji MPEG-4 jest umożliwienie transmisji dziesięciu zdjęć o dobrej jakości, wraz z towarzyszącym dźwiękiem w ciągu sekundy. Przypuszczalna rozdzielczość tak przesyłanego obrazu ma wynosić 176x144 punkty. Zadanie to wymaga jednak wykorzystania kompresji o szczególnie wysokim współczynniku, na co nie pozwalają tradycyjnie stosowane techniki. Z tego względu planowane jest użycie zupełnie nowych metod, jak kompresja fraktalna czy morfologiczna.

Funkcje kart wideo

Najbardziej popularne funkcje oferowane przez większość kart wideo to:

Analiza wybranych kart wideo.

FAST AV Master

Najmłodsze dziecko firmy FAST - karta AV Master, wprowadza nową jakość w dziedzinie cyfrowej obróbki audiowizualnej. Urządzenie pozwala na wczytywanie i cyfrową obróbkę sekwencji wideo. Dzięki wykorzystaniu nowych układów PCI i technologii PCI bus master dane są digitalizowane z prędkością 5 MB/s i zapisywane w plikach AVI skompresowanych techniką M-JPEG. W pełni profesjonalną obróbkę wczytanych sekwencji zapewnia 32-bitowe oprogramowanie firmy Ulead MediaStudio.

FAST AV Master jest jednym z pierwszych produktów na rynku kart wideo, wykorzystujących nową generację układów PCI pracujących w trybie bus master. Urządzenia wykonane w tej technologii są w stanie same kontrolować magistralę PCI, dzięki czemu szyna jest chroniona przed niepożądanym dostępem (np. przez system operacyjny lub aplikację Video for Windows) w czasie transferu danych z karty. W porównaniu z rozwiązaniami, w których nie jest przejmowana kontrola nad magistralą (karty pracują w trybie slave), nowa technologia pozwala na uzyskanie o wiele wyższej przepustowości, a co za tym idzie lepszej jakości digitalizowanych obrazów (zmniejsza się liczba gubionych ramek).

Dzięki technologii bus master możliwy jest płynny zapis sygnału S-Video w pełnej rozdzielczości. Do AV Master można podłączać źródła sygnału CVBS lub S-Video i digitalizować je z 24-bitową głębią barw w rozdzielczości 640x480 (NTSC) lub 768x576 (PAL). Obraz ściągany jest z częstotliwością 60/30 lub 50/25 ramek na sekundę (odpowiednio w NTSC lub PAL). Dane mogą być na bieżąco kompresowane (maksymalny poziom kompresji 100:1, minimalny 2:1/5:1).

AV Master, w odróżnieniu od podobnych urządzeń, pozwala również na wczytywanie sygnałów audio z częstotliwością 44,1 kHz i 16-bitową rozdzielczością, posiada bowiem wbudowane przetworniki A/C i C/A. Eliminuje to problemy z synchronizacją obrazu i dźwięku, które często pojawiają się w przypadku stosowania zewnętrznych kart dźwiękowych. AV Master dostarczana jest z oprogramowaniem MediaStudio firmy Ulead - 32-bitową aplikacją pracującą w środowisku Windows 95. MediaStudio w łatwy sposób pozwala montować do sekwencji wideo napisy, grafikę, animacje i tworzyć efekty specjalne. Program akceptuje większość standardów zapisu plików: Video for Windows, M-JPEG, Wave Sound itp.

miroVIDEO DC30

Urządzenie niemieckiej firmy miro wykorzystuje nową technologię PCI bus master umożliwiając stałą prędkość digitalizacji danych na poziomie 6 MB/s. Praca karty w trybie nadzorcy (master) nie angażuje procesora - przetwarzane dane zapisywane są bezpośrednio do pamięci RAM, a stamtąd na dysk - pozwalając na minimalizowanie ilości gubionych klatek. Dodatkowo zintegrowanie z kartą dźwiękową eliminuje możliwość złej synchronizacji wizji z fonią.

Zastosowanie nowej technologii sprawiło, że zapisywany obraz jest płynny, a gubienie klatek zaczyna się dopiero przy próbie przechwycenia więcej niż 27 kl./s. Karta posiada wejścia/wyjścia Composite Video (FBAS) oraz S-Video (Y/C). Maksymalna rozdzielczość digitalizowanego obrazu w zależności od standardu PAL(SECAM)/NTSC wynosi odpowiednio 768x576/640x480 przy pełnej palecie barw (24-bity).

Podczas zapisu sekwencji możemy na bieżąco kompresować obraz w granicach 3,5:1/100:1 oraz nakładać filtry jaskrawości, kontrastu, nasycenia i barwy kolorów. Maksymalna ilość ściąganych klatek dla systemu PAL/NTSC wynosi 25/30. Wbudowana karta dźwiękowa pozwala na nagranie podkładu od 8-bitowego mono 11 kHz do 16-bitowego stereo 44,1 kHz. Oczywiście w zależności od wybranego ustawienia, wielkość pliku wynikowego zmienia swoją objętość.

Minimalna kompresja, a co za tym idzie optymalna jakość obrazu, obliczana jest przy pierwszym uruchomieniu karty na podstawie pomiaru wydajności dysku twardego. Im szybszy dysk, tym mniejszy stopień kompresji. Ważny jest odpowiedni dobór parametrów pracy, gdyż spadek jakości otrzymanego obrazu przy różnicy kompresji o jeden „stopień” (np. z 3:1 na 4:1) jest prawie niezauważalny, a ilość zapisywanych danych szybko maleje, dając szansę mniej wydajnym systemom.

Pakiet miroVIDEO DC30 zawiera niezbędne sterowniki oraz oprogramowanie Adobe Premiere, Adobe Photoshop, Adobe Acrobat Reader, Asymetrix 3D/FX, Video for Windows, zdjęcia, pliki formatu wideo i audio.

1

6


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Karty Graficzne wesołowski
Karty Graficzna UTK
Karty graficzne cd
KARTY GRAFICZNE
11 Karty graficzne
karty graficznej, Przydatne do Szkoły Technik Informatyk;)
Karty Graficzne
Karty graficzne i karty dźwiękowe - dla początkujących, Studia, Informatyka, Informatyka, Informatyk
Karty Graficzne
Karty Graficzne klakier
Budowa karty graficznej
karty graficzne
karty graficzne
Wybor karty graficznej, instalacja i konfiguracja
Karty graficzne, informatyka, utk
Karty Graficzne
Karty graficzne
Karty Graficzne

więcej podobnych podstron