ARCHIV

Digitální video (2.) – teorie

Historie a technická specifikace.

10.12.2004 14:00 | Petr | Články autora | přečteno 15452×

Historie

To co dnes vidíme používat zahraniční turisty, avšak nejen je, ale i ty domácí, ono elektronické zařízení zavěšené na krku, ta videokamera v ruce, má za sebou již bohatou minulost. A i když je mladší, než jiný z příbuzných výkvětů techniky (fotoaparát), přinesla videokamera velký boom do světa záznamu.

První patent onoho zázraku techniky se objevil v USA, v druhé polovině 19.století, přesně v roce 1867. Zařízení nebylo pojmenováno tak jak jsme dnes zvyklí jej běžně nazývat, tj. videokamera, nýbrž se jmenovalo "wheel of life" nebo také "zoopraxiscope". Překlad by mohl znít komicky, proto se o něj nebudu pokoušet. Patentován byl panem Williamem Lincolnem. Také jméno francouze Luise Lumiera je často spojováno s tímto vynálezem. Byl to právě on, kterému se povedlo zkonstruovat první přenosnou kameru sjednocenou s jednotkou pro zpracování filmu a projektorem. Spojení těchto tří funkcí dostalo název "Cinematograph". Bratři Lumierové jsou rovněž spojováni s první veřejnou projekcí svých záznamů (psal se rok 1895). Nicméně i zde nebylo o soupeře nouze. Již v roce 1891 se společnosti Edison podařil podobný kousek, provedený přístrojem zvaným "Kinetoscope". O pouhých 5 let později se pak společnost prosadila v komerčním světě se svým inovovaným přístrojem, nazvaným "Vitascope". Netrvalo to dlouho a již v roce 1904 bylo patentováno zpracování barevného filmu.

Poskočme nyní v čase a zastavme se až tam, kde se otevírají brány digitálního světa. Psal se rok 1995 kdy Sony předvedla své první komerčně využité modely digitální videokamery řady DCR-VX700 a DCR-VX1000, které zároveň představovaly implementaci nové High-tech sériové sběrnice pro komunikaci, zvané IEEE-1394. O pouhý rok později (1996) představila Sony nový model DCR-PC7 mini-DV videokamery. Následovaly pak ostatní společnosti jako Panasonic, JVC, Samsung, Hitachi.

Teorie a specifikace

Opravdu rychlý průlet historií naváže na stejně rychlý průlet teorií. Myslím, že nebude na škodu když se pokusím jemně nastínit problematiku formátu DV (mini-DV) a sériové sběrnice IEEE-1394 (Firewire).

Standard DV

Je definován v "Blue-Book" oficielně nazvanou jako "Uživatelská specifikace DV formátu využívající magnetického pásku 6.3mm pro záznam". Mimo jiné ji také nalezneme v publikaci mezinárodní komice pro Elektrotechniku (International Electrotechnical Commission) pod číslem IEC61834.

DV-média

Rozměry DV a mini-DV medií jsou názorně ukázány na obrázcích. Šířka pásku je 6.35mm, rychlost posunu pásku je 18.81mm/sec. Celková délka pásku = 65m (pro kazety mini-DV) a 250m (pro kazety DV). Zajímavou schopností DV kazety je možnost uložení dat. Oba typy disponují tzv. Memory in Cassette (MIC) pamětí, která dle specifikace umožňuje zaznamenat až 16MB dat (mimo samotný videozáznam). Sony DV kazety disponují 512b této paměti, která umožňuje zaznamenat informace jako datum, čas, kdy byly zaznamenány jednotlivé segmenty, typ kazety a další. Tato paměť je výhradně použita samotným přístrojem a nelze ji jakýmkoliv způsobem ovlivnit (dle specifikace). Zároveň tuto vlastnost mají právě a pouze DV kazety Sony. Specifikace sama, tuto vlastnost nevyžaduje.

Záznamová páska DV (stejně pak i mini-DV) média se obecně skládá z 5-ti následujících vrstev.

• Vrstva pro snížení tření mezi páskem a vodícími hroty
• Základní film
• Dvojitá magnetická vrstva
• Ochranná vrstva (Diamond-Like Carbon, DLC)
• Vrstva pro snížení tření mezí páskou a záznamovou hlavou a rovněž jako anti-oxidant

Geometrie stopy

DV formát využívá záznamu do šikmé stopy s náklonem +-10stupňů, což vyžaduje přítomnost alespoň dvou hlav a rychlost otáčení cca 9000rpm. Šířka záznamové stopy je 10mikronů. Pro srovnání, formát Hi8 má šířku záznamu 20,8mikronů, formát VHS pak 58mikronů, lidský vlas má šířku cca 100mikronů.

ITI " Insert and Track Information Sector
Audio Sector
Video Sector
Subcode Sector " zde se ukládají různé informace, k těm nejdůležitějším pak patří informace o čase.

Video, Audio formáty určené pro záznam a vybrané parametry

Formát DV

hlavní zástupci podporující tento formát jsou: Panasonic, JVC, Canon, Sharp
šířka stopy: režim SP: 10mikronů, LP:6.7mikronů
rychlost posuvu pásky: 18.81mm/sec.
Maximální záznamová doba : mini-DV 80/120min (SP/LP), DV 3/4.6hodiny (SP/LP)
Rozlišení: 720x480 NTSC 4:1:1, 720x576 PAL 4:2:0
Audio záznam: 48khz 16-bit 2kanály, 32khz 12-bit 4kanály

Formát DVCAM

hlavní zástupci podporující tento formát jsou: Sony, Omegami
šířka stopy 15mikronů
rychlost posuvu pásky: 28.215mm/sec
Maximální záznamová doba: mini-DV: 40min, DV: 184min
Rozlišení je stejné jako u formátu DV
Audio záznam je rovněž stejný jako u formátu DV

DVCPRO

zástupci podporující tento formát jsou: Panasonic, Philips, Omegami, Hitachi
šířka stopy 18mikronů
rychlost posuvu pásky: 33.82mm/sec
Maximální záznamová doba: small 63min, DV: 123/183min
Rozlišení je stejné jako u formátu DV (rozdíl v poměru, který je: 4:1:1 pro normu PAL)
Audio záznam je rovněž stejný jako u formátu DV

DIGITAL8

zástupci podporující tento formát jsou: Sony, Hitachi
šířka stopy 16.34mikronů
rychlost posuvu pásky: 28.7mm/sec
Maximální záznamová doba: 60min
Rozlišení je stejné jako u formátu DV
Audio záznam je rovněž stejný jako u formátu DV

Většina výše uvedených parametrů je asi všem jasná a netřeba dále vysvětlovat. Zastavím se však u poměrového čísla, uvedeného u rozlišení. Tady už každý nemusí tušit, k čemu takové nic neříkající číslo je. Pokusím se opět stručně vysvětlit. Jde o číslo vyjadřující Poměr navzorkovaných složek použitých pro záznam video signálu (obecně řečeno). První číslo označuje vzorkovací frekvenci jasové složky Y (13.5MHz). A proč právě číslo 4?
a)13.5MHz je přibližně 4-násobek pomocné nosné vlny pro barvu
b)Zbývající dvě hodnoty by vycházely ošklivě, např: 1:0.5:0.5 nebo 1:0.25:0.25
Číslo je společné pro záznam v DV (mini-DV) formátu, Digital-S, ale i Beta SX a Digital Betacam (poslední dva jsou z profi branže), ale i pro analogový záznam. Zbývající dvě čísla udávají v jakém poměru probíhá vzorkování rozdílových složek R-Y, B-Y (nebo chcete-li Cr a Cb).

Používané poměry

Poměr 4:2:2 (využíván hlavně v profi branži " systémy DigitalBeta, BetaSX, Digital-S, DVPRO50). Jasová složka má vzorkovací frekvenci 13.5MHz a rozdílové složky jsou vzorkovány poloviční frekvencí (6.75MHz) tzn. V případě 720 bodů na jeden řádek jsou pak v 360 z nich uloženy hodnoty jasové složky + obou rozdílových složek.

Poměr 4:1:1 (využíván systémy NTSC DV, DVCAM, DVPRO). Vzorkovací frekvence je stejná jako v předchozím případě (pro jasovou i rozdílovou složku). Avšak hodnoty rozdílových složek jsou navzorkovány v každém 180 ze 720-ti bodů.

Poměr 4:2:0 (PAL, DVD, MPEG-2). Specialita normy PAL. Tak by se dal tento poměr nazvat. Jasová složka je v tomto poměru vzorkována poloviční frekvencí, avšak pro každý půl-snímek. Rozdílová složka je vzorkována 360 x řádek. Jelikož norma PAL využívá střídavého zobrazování řádků (nejprve jsou zobrazeny všechny liché a pak všechny sudé), pak každá z rozdílových hodnot (R-Y, B-Y) je navzorkována pouze v každém z půl-snímků a ta druhá nikoliv (proto hodnota 0).

Standard IEEE-1394-1995 (Firewire, i-Link)

Tato vysoce výkonná sériová sběrnice, navržená vývojovým týmem společnosti Apple někdy v r.1980, se stala jedním ze stávajících standardů pro přenos dat mezi multimediálními zařízeními jako kamera, fotoaparát, ale i HDD, CD-RW, scanner, televize, stero systémy, herní konzole. Standard definuje jak protokol pro samotnou sériovou komunikaci, tak příslušný systém pro vzájemné propojení jednotlivých zařízení (poskytuje obdobné služby jako moderní paralelní sběrnice, ale s nižšími nároky).

V době, kdy se začalo o sběrnici veřejně mluvit (1990), se stala velkou konkurencí (a stále je) pro USB. A i v tomto boji byl čas ten nejlepší soudce. Obě rozhraní si našla své místo a jsou hojně využívána. IEEE-1394 nebo chcete-li Firewire či i-Link sběrnice, se usídlila majoritně v již zmíněných digitálních kamerách, USB pak v ostatních zařízeních (Fotoaparát, mp3 přehrávače, atd). Má to ale i svá opodstatnění. K těm důležitým by se dala přiřadit možnost komunikace po sběrnici aniž by bylo potřeba externě dodávat elektrickou energii. Uplatnění se najde např. tam, kde je potřeba přetočit záznam z jedné kamery do druhé. Jediné co potřebujete je vhodný kabel pro propojení dvou kamer a už se jede.

Kabeláž

Standardní kabel pro komunikaci se skládá ze tří párů. Jeden pár je určen pro napájení a zbývající dva pro komunikaci. Napájecí kabely mohou poskytnout 8-40V, 1.5A max. el. Energie. Zřídkakdy jsou však využity. V případě komunikace s kamerou nikoliv. Jak Sony tak i Panasonic využívají pouze zbývajících dvou párů (s ostatními výrobci videokamer nemám osobní zkušenosti). Komunikační kabely jsou v twistu (stejně jako např. u síťových kabelů se i zde využívá twist páru jako galvanické izolace/stínění). Doporučená max. délka kabelu pro zaručení přenosové rychlosti 400Mbps je 4,5m a zároveň je tato délka normou pro propojení jednotlivých zařízení. Není zakázáno použít kabeláž delší, ale v tomto případě se musí počítat s poklesem přenosové rychlosti, pokud se použije stejný kabel. Někteří výrobci dodávají i kabeláž delší s možností zachování rychlosti přenosu dat. Nicméně rozdíl poznáte nejen v tloušťce kabelu, ale i v jeho příslušné ceně, která je za "kus drátu" opravdu velká. 6-ti pinový konektor, který naleznete na řadiči sériové sběrnice a jeho rozměry jsou názorně vidět na obrázku. Standard specifikuje různé modifikace kabeláže a to:
6 " 6 pin kabel (využívá se pro zařízení jako jsou HDD, CD ")
6 " 4 pin kabel (pro komunikaci mezi řadičem firewire a kamerou, fotoaparátem, mp3přehrávači ")
4 " 4 pin kabel (nejčastěji pro komunikaci mezi dvěma kamerami)

Tyto informace neplatí pro standard IEEE1394b kde se využívá jiného typu konektorů "..

Datový Model protokolu 1394

Celý protokol se skládá ze tří vrstev. Fyzické, linkové a transakční (obdoba TCP komunikace).

Fyzická vrstva zajišťuje samotnou komunikaci mezi dalšími zařízeními, zároveň se stará o to, aby byla data odesílána pouze jedním zařízením, dále pak inicializuje komunikační cesty, kóduje a dekóduje data.

Linková vrstva se stará o systém přenosu dat. Řídí odchod a příchod dat, ověřuje platnost dat, provádí kontrolní součty dat.

Transakční vrstva vyřizuje jednotlivé požadavky pro čtení nebo zápis příslušných dat, zároveň se stará o komunikaci mezí sériovou a PCI sběrnicí, popřípadě mezi sběrnicí a mikroprocesorem.

Co se děje na sběrnici?

Sběrnice 1394 je navržena tak aby byla schopná komunikovat s širokou škálou rozdílných zařízení a to i bez přítomnosti počítače. Jde o plnohodnotné peer-to-peer komunikační rozhraní. Komunikace probíhá ve dvou režimech, asynchronním a isochronním. Asynchronní režim je použit vždy když dojde k jakémukoliv rušení na sběrnici. V případě chyb jsou data zaslána opakovaně. Nicméně datová propustnost není u tohoto typu komunikace známa (respektive je proměnná), jelikož je sběrnice zaneprázdněna vyřizováním jiných operací.

IEEE1394 sběrnice je založena na CSR architektuře (Kontrol and Status Register Managment) specifikované v IEEE1291. Je zde použito 64-bitové adresace (definovano standardem IEEE1212), rozdělené do tří částí. 10bitů " definujících odkud putují data 6bitů " fyzické ID, které identifikuje zařízení zasílající data 48bitů " použitých pro adresaci registrů a paměti příslušného nodu.

Prvních 16bitů (10+6) identifikuje sběrnici, tzn. může jich být identifikováno až 1023 nezávislých na sobě, (ID 1023 je vyhrazeno pro lokální sběrnici) a na každé z nich může být "lajcky řečeno" připojeno max 63 zařízení.

Isochronní přenos dat

Tento způsob komunikace poskytuje právě onu garantovanou výkonnost sběrnice i v případě připojení několika různých zařízení. Isochronní řadič obsahuje důležitý registr "BANDWIDTH_AVAILABLE", který specifikuje příslušnou šířku pásma (rychlost či propustnost, chcete-li) sběrnice. V případě "resetu" sběrnice čí připojení nového zařízení do sběrnice se vždy provede dotaz ono zařízení na tento registr. Příkladem může být připojená DV kamera, která bude požadovat rychlost sběrnice 30Mbps (cca 25Mbps pro video data a 4-5Mbps pro audio). Sběrnicí jsou poslána data (alokační jednotky-6144) v 125ms cyklu (cca 20ns na jednu jednotku). Z toho 25ms je rezervováno pro asynchronní přenos na sběrnici. Tzn. Po resetu je hodnota registru nastavena na 4915. Pro 100Mbps sběrnici by pak tato hodnota zapsaná v registru byla 1800, tak, aby byl požadavek DV kamery akceptován, pro 200Mbps by hodnota byla přibližně poloviční. Pokud je požadavek pozitivní zařízení zahájí další komunikaci (přenos dat). V opačném případě si zařízení znovu vyšle požadavek na přidělení požadované rychlosti. V dalším kroku řadič přidělí zařízení číslo kanálu (0-63), v závislosti na registru "CHANNELS_AVAILABLE" a zahájí požadovanou komunikaci. Všechny isochronní pakety jsou pak identifikovány na základě přiděleného čísla. V případě, kdy zařízení požádá o ukončení isochronního přenosu dat, je uvolněno přidělené identifikační číslo i přidělená datová kapacita(propustnost) sběrnice.

Závěr

Teoretické povídání mělo lehce nastínit problematiku DV formátu a komunikačního protokolu IEEE1394. Povídání bylo zběžné a pokud má někdo zájem o detailnější informace, doporučuji referenční dokumentaci.

Verze pro tisk

DISKUZE Clanek 11.12.2004 13:20 Petr Semelka   Re: Clanek 20.12.2004 19:12 Pavel     Re: Clanek 20.12.2004 20:07 o.k.       Re: Clanek 20.12.2004 20:54 Ivan Majer         Re: Clanek 21.12.2004 18:24 Pavel           Re: Clanek 14.10.2005 01:04 GeBu             Re: Clanek 14.10.2005 10:03 o.k. Zobrazit označené Zobrazit vše Příspívat do diskuze mohou pouze registrovaní uživatelé.