Видеопроекция. Техника и технологии

Уильям Блеха
JVC North America R&D Center

Интерфейсы проекторов и интерфейсы для передачи информации

Входной сигнал проектора
Цифровые проекторы поддерживают множество форматов входного сигнала. В таблице приведены общепринятые форматы, поддерживаемые цифровыми проекторами.

Компонентный видеосигнал
Передача видеосигналов компонентным способом стала основным стандартом для цифровых проекторов. В данном случае рассматривается способ преобразования некомпрессированного RGB-сигнала в низкочастотный формат посредством разделения на яркостную и цветоразностную компоненты.
Компонентный видеосигнал состоит из трех сигналов (компонент). Первый – сигнал яркости, отображающий ее значение или информацию о черном и белом, содержащихся в RGB-сигнале (Y-компонента). Второй и третий называют цветоразностными. Они соответствуют количеству синего и красного цвета по отношению к яркостному Y. «Синяя» составляющая – Pb (B-Y) и «красная» – Pr (R-Y). Цветоразностные значения этих величин вычисляются математически.
Зеленый цвет не передается как отдельный сигнал, а вычисляется из комбинации Y, Pb, Pr.
Часто проекторы работают с компонентным видео, но только через порт VGA (обычно 15-pin D-sub). В этом случае необходим кабель с тремя разъемами RCA для подключения к DVD-плейеру и 15-pin D-sub VGA-разъем на другом конце для подключения к проектору.
Аналоговые / Цифровые интерфейсы

Построчное и чересстрочное видео
Компонентное видео может быть построчным или чересстрочным.
DVD-диски кодированы для компонентного видео. Следует обратить внимание на DVD-плейер, который вы собираетесь использовать. Одни имеют выходы только для композитного и S-video. У других есть еще и выход для компонентного 480i. Наконец, есть аппараты с композитным, S-video, 480i и 480p выходами. Новые DVD-плейеры кроме того имеют DVI-выход.
Недорогие проекторы обладают компонентным 480i, но не 480p. Наилучшее качество изображения достигается, когда и проектор, и DVD-плейер работают с 480p.
На основе формата DTV 480 строк появился стандарт SDTV (телевидение стандартной четкости), обозначающийся 480i.
Формат EDTV, или 480p, характеризуется наличием 480 горизонтальных линий в одном поле.
Все проекторы с построчной разверткой воспринимают чересстрочный сигнал. Для этого они оснащены специальным процессором.
Для улучшения качества изображения используется внешний процессор, превращающий 480 четных и нечетных линий чересстрочного сигнала источника в построчный сигнал из 480 линий со всеми необходимыми настройками.
В HDTV увеличено число линий развертки. Формат изображения увеличен с 4 : 3 до 16 : 9. Самый популярный формат HDTV – 1080i, или 1080 с чересстрочной разверткой изображения. Ввиду увеличения числа линий растра они менее заметны. 1080p – эквивалент построчной развертки на 1080 линий HDTV.
Альтернативный построчный формат HDTV – развертка из 720 линий, или 720p. На больших экранах разрешение изображения будет меньшим, чем у 1080i, тем не менее искажения, получаемые при преобразовании из чересстрочного формата, будут компенсированы.

Цифровые видеоинтерфейсы
Многие компьютеры выдают цифровой видеосигнал, который конвертируют в аналоговый с помощью видеокарты и передают на аналоговые CRT-мониторы. В случае применения цифровых дисплеев, таких как Plasma, LCD и проекторов (DLP, LCD и LCOS), аналоговый сигнал снова конвертируется в цифровой, что усложняет процесс и повышает стоимость. Кроме того, при преобразовании цифрового сигнала в аналоговый и обратно могут возникнуть ошибки кодирования, что понижает качество изображения и требует дополнительного контроля и своевременной коррекции.
С появлением цифровых мониторов и проекторов возникла необходимость создания полностью цифрового тракта. Образованы технологии Low Voltage Differential Signaling (LVDS) и Transition Minimized Differential Signaling (TMDS). При передаче сигнала по кабелю большой длины TMDS оказался лучше. Вскоре количество конкурирующих стандартов для цифровых интерфейсов возросло. VESA представила стандарт Plug and Display (P&D), компания Compaq, во главе консорциума производителей, разработала Digital Flat Panel (DFP), а фирма DDWG продемонстрировала Digital Visual Interface (DVI). Все эти три стандарта базируются на технологии TMDS.

Интерфейс Low Voltage Differential Signaling (LVDS)
LVDS – высокоскоростной энергосберегающий интерфейс, используемый в ноутбуках для передачи данных от центрального процессора к LCD-дисплею. Он отличается низким уровнем шумов и создан для передачи сигнала на малые расстояния. По этой причине он не является лучшим решением при соединении компьютера с проектором.

Интерфейс Transition Minimized Differential Signaling (TMDS)
Работа стандарта TMDS основывается на применении передового алгоритма кодирования, конвертирующего восьмибитный сигнал в минимизированный десятибитный код. Этот код оптимизирован для снижения электромагнитной интерференции сигналов, что увеличивает скорость и качество передачи. Вместо передачи по дорогим коаксиальным кабелям стандарт TMDS позволяет передавать сигнал по витой паре. Схема состоит из TMDS-передатчика, кодирующего и последовательно передающего поток данных, TMDS-линии и TMDS-приемника. Видеосигнал и синхросигналы передаются по нескольким витым парам (красный, синий, зеленый, синхронизация). Приемник синхронизируется поступающим сигналом и декодирует его.
К сожалению, законы физики ограничивают полосу пропускания данных, передаваемых по медному проводу приблизительно на отметке 165 МГц, поэтому одиночный канал TMDS способен поддерживать разрешение изображения до 1600 x 1200 (UXGA) при частоте обновления экрана 60 Гц.
DVI – первый стандарт, созданный специально для интерфейсов TMDS и использующий сразу шесть параллельно работающих каналов, объединенных в один DVI-канал, позволяющий передавать 330 Мпикселей/с. Это дает возможность поддерживать разрешение 2048 x 1536 (QXGA) 60 Гц при 8 бит/цвет RGB.

Интерфейс DVI ( Digital Visual Interfacе)
DVI-интерфейс был разработан для соединения компьютера и дисплея. Он значительно расширил возможности индустрии. Два типа разъемов (DVI-I и DVI-D) позволяют применять данный стандарт не только с цифровыми, но и с аналоговыми устройствами. DVI при использовании адаптера совместим со стандартами DFP и P&D, EDID и DDC, а также работает с HDCP.

Классификация DVI-разъемов
Стандарт DVI предназначен для замены аналогового соединения VGA , поэтому данный интерфейс имеет два типа разъемов. Совмещенный разъем DVI (DVI-I) используется для передачи через него цифровых и/или аналоговых сигналов (для поддержки работы еще оставшегося аналогового оборудования); цифровой DVI (DVI-D) – для работы только с цифровым оборудованием.
DVI-I – 29-штырьковый разъем, в котором 24 контакта предназначены для передачи цифровой информации и пять – для аналоговой передачи и заземления. Он стыкуется только с соответствующей ответной частью DVI-I, что предотвращает случайную коммутацию аналогового и цифрового устройств.
DVI-D производится в вариантах с 12 и 24 штырьками и стыкуется как с ответной частью DVI-D, так и с DVI-I.
Интерфейс HDMI
DVI или DVI с HDCP разработаны только для RGB-сигналов. Для коммутации бытовой аудио-, видеоаппаратуры формата DVI был создан HDMI (High Definition Multimedia Interface – мультимедийный интерфейс высокого разрешения), также передающий цифровой звук и контрольные сигналы. Он представляет собой 19-штырьковый разъем, меньший по размеру, чем стандартные разъемы DVI-D и DVI-I.
DVI-HDTV, в отличие от стандартного DVI, поддерживает передачу компонентных видеосигналов в формате (Y, Pb, Pr), включая широко распространенные форматы DVI (480p/60, 720p/60 и 1080i/60) и их аналоги с частотой 50 кадров/с, сигналы 1080p с частотой 24, 25, 30, 50 и 60 Гц. Интерфейс HDMI поддерживает передачу компонентных видеосигналов с большим качеством, чем описаны стандартом IEA/CEA-861-B.
Сигнал источника может иметь разнообразные параметры цветопередачи и качества изображения (стандартная или высокая четкость), формата изображения, метода кодировки аудио, бирейта. HDMI может поддерживать сигналы с кодированием до 12 бит на компонент для сигнала 4:2:2 YpbPr и 1080p/60.
Защита цифровой информации (High-bandwidth Digital Content Protection, HDCP)
Стандарт HDCP был разработан для передачи данных с защитой от копирования между DVI-передатчиком и DVI-приемником или дисплеем. Для этого необходимы специальные приборы или особая коммутация. Схема работает таким образом, что сигнал кодируется непосредственно в источнике, а устройство средства отображения имеет ряд ключей для декодирования информации и передачи ее на экран.
Когда к DVI добавляют HDCP, обычно такую связку обозначают DVI+HDCP. При использовании формата HDTV или для HD-мониторов этот стандарт обозначают IEA/CEA-861-B. Он описывает технологию передачи некомпрессированных сигналов DTV (стандартного, расширенного и высокой четкости), включающих такие параметры, как синхронизация, формат пикселей и структура цифрового потока через цифровые интерфейсы (например, DVI). При использовании этой комбинации с оборудованием высокой четкости применяется обозначение DVI-HDTV.

Интерфейс IEEE 1394
IEEE 1394 – высокоскоростной последовательный сетевой интерфейс, разработанный компанией Apple и названный ею FireWire. Фирма Sony называет данный вид коммутации i.Link. Данный стандарт был создан для бытовой и профессиональной аудио-, видеотехники и позволяет оперировать скоростями передачи данных в 100, 200 и 400 Mбит/с. Видеосигнал, проходящий по интерфейсу IEEE 1394, компрессирован и требует декомпрессии в проекторе. Впоследствии интерфейс был усовершенствован для передачи данных со скоростями 800, 1600 и 3200 Mбит/с. Этот интерфейс не требует централизованного контроля и может управляться разными приборами по общей шине.
Схема кодирования для IEEE1394 называется Digital Transmission Content Protection (DTCP).

SDI/HDSDI/двойной HDSDI
В вещании используются цифровые видеостандарты, основанные на стандартах SMPTE 254M/ 292M/372M.
В дорогих проекторах на сегодняшний день применяется интерфейс HDSDI, поддерживающий 1080i, но не 1080p, требующий двойного HDSDI.

Развитие проекторов в будущем

Цифровые кинотеатры
Технологии цифрового кино с системой цифровой доставки и проекции, призванные заменить существующие кинопроекторы, начали разрабатываться SMPTE, ITU и консорциумом больших голливудских студий, получившим название Digital Cinema Initiatives (DCI), с целью создания общемирового стандарта.
На рынке появляются цифровые кинопроекторы различного уровня. Для рекламных и информационных целей уже сейчас устанавливаются недорогие проекторы. Аппараты для больших экранов будут работать с разрешением 2048 точек по горизонтали, а в скором будущем появится проектор, способный работать с изображением ~ 4000 точек по горизонтали.

Ультравысокая четкость
В авангарде проекторов ультравысокой четкости находятся аппараты R&D с разрешением 4000 точек по горизонтали. IBM представила AMLCD (жидкокристаллический дисплей с активной матрицей) с разрешением W-QUXGA (3840 x 2400 пикселей), что в данном сегменте рынка вывело компанию вперед.
Компания JVC продемонстрировала прототип проектора R&D с разрешением W-QUXGA (3840 x 2400 пикселей). Этот аппарат с тремя чипами D-ILA потенциально показывает возможность демонстрации качественного изображения 35-мм пленки на электронных средствах отображения. Ожидаемое увеличение разрешения в будущем показано на рисунке. Кроме того, сами средства отображения также будут развиваться.
В настоящее время развивается стандарт Digital Packet Video Link (DPVL), не базирующийся на традиционных способах передачи сигналов к средствам отображения. Формат поддерживает высокое разрешение и использует пакетную модель обмена данными для передачи к средству отображения разнообразной мультимедиа-информации. Пакетная передача данных и сетевые методы работы поднимают технологии на новый уровень.