Плата нелинейного видеомонтажа Targa 3000

Автор: Евгений Зайцев

Введение

Системы нелинейного монтажа (Non linear editing, NLE) и технологии обработки видео на базе персональных компьютеров существуют уже более 10 лет, и сегодня переживают очередной этап бурного развития. По сравнению с традиционным линейным монтажом NLE имеет ряд неоспоримых преимуществ. Прежде всего, это возможность мгновенного доступа к любому фрагменту, отсутствие деградации качества при копировании, практически неограниченные возможности редактирования и композитинга. Все это способствуют тому, что системы нелинейного монтажа находят сегодня все более широкое применение.

При преобразовании аналогового телевизионного сигнала в цифровую форму формируется поток данных от 202 до 540 Мбит/сек (25-67 Мбайт/сек). Операции записи и воспроизведения столь больших объемов информации на персональном компьютере до сих пор сопряжены с серьезными трудностями. Даже самые современные скоростные накопители с трудом обеспечивают такой поток данных, а несколько лет назад, когда системы нелинейного монтажа делали свои первые шаги наиболее быстрые SCSI винчестеры могли обеспечить скорость передачи не более 3-5 Мбайт/сек. Еще одним ограничением является малая пропускная способность внутренней интерфейсной шины. Так, наиболее распространенная 32 битная PCI обеспечивает пиковый поток не более 132 Мбайт/сек, а реальная скорость передачи данных с учетом наличия еще нескольких устройств на шине в несколько раз меньше. Таким образом, для создания системы цифровой обработки видео на базе ПК, до недавнего времени, существовало только два пути. Первый - использовать модульные (блок обработки видео является внешним устройством) программно-аппаратные комплексы, где персональный компьютер выполняет только функции управления. Второй путь - применять настольные системы, активно использующие ресурсы компьютера, но работающие со сжатым видеосигналом на всех этапах обработки.

Применение компрессии значительно уменьшает требования к компьютерной платформе, и, прежде всего, к дисковой подсистеме, поэтому платы использующие тот или иной алгоритм сжатия и получили столь широкое распространение. В большинстве случаев использование сжатия с небольшой степенью компрессии оправдано и необходимо, поскольку обеспечивает достаточно высокое качество при существенном сокращении потока данных. Благодаря простоте реализации первой стала применяться внутрикадровая Motion JPEG компрессия, которая при степени сжатия 3:1 обеспечивает вещательное качество сигнала. Совсем недавно появились и устройства, использующие более прогрессивный стандарт MPEG, который позволяет устранить не только пространственную, но и временную избыточность при сжатии от 10:1 до 50:1. Однако, как только возникает необходимость реализации сложного многослойного монтажа и композитинга применение сжатия становится крайне нежелательным т.к. в этом случае при просчете каждого кадра происходит многократный цикл компрессии/декомпрессии, который приводит к появлению артефактов. Модульные системы, работающие с некомпрессированным видео, лишены этих недостатков, но, кроме очень высокой стоимости подобные комплексы имеют и еще ряд минусов. Так, например, количество функций и переходов, заложенных разработчиками, велико, но все же ограничено и любая модификация требует значительных финансовых затрат, а зачастую, сопряжена и с техническими трудностями. Закрытый цикл обработки не позволяет использовать промежуточные результаты, часто делает невозможным операции экспорта и импорта медиа данных и организацию видеопроизводства в структуре локальной рабочей группы. На сегодняшний день это уже серьезное ограничение, так как, при подготовке сложного проекта часто возникает ситуация, когда имеет смысл разделить работу и выполнять ее на различных рабочих станциях.

Недостатки модульных систем очевидны, но до недавнего времени альтернативы для работы с некомпрессированным сигналом, особенно в реальном времени, не существовало. Однако интенсивное развитие технологий хранения данных и общий рост производительности персональных компьютеров привел к тому, что появилась возможность создавать настольные системы для обработки видео, которые по своим возможностям приближаются к дорогостоящим модульным комплексам. При этом их стоимость остается на уровне систем предыдущего поколения и таким образом, чаша весов "возможности/стоимость" постепенно начала склоняться в пользу более гибких и многофункциональных Desktop систем. Более того, сложилась ситуация, когда за меньшие деньги предлагается больше функций, выполняемых в реальном времени.

Можно отметить, что компьютерные системы для обработки видео развиваются по тем же законам, что и вся высокотехнологичная область вычислительной техники. Происходит постепенный переход от узкоспециализированных комплексов стоимостью в сотни тысяч долларов к настольным ПК, которые успешно выполняют те же задачи. Кроме того, сохраняется и тенденция по переносу функций отдельных аппаратных модулей на центральный процессор. Конечно, можно спорить о достоинствах или недостатках такого подхода, однако, вполне вероятно, что наступит момент, когда мощность центральных процессоров достигнет уровня, который позволит им обрабатывать несжатое видео в реальном времени. Пока делаются лишь первые шаги в этом направлении, однако, начало положено, и подтверждением тому могут служить дополнительные наборы инструкций MMX, SSE, SSE2 и 3DNow которые ориентированы на мультимедиа приложения.

Графический процессор HUB3

И все же, сегодня, основная нагрузка при работе с видео ложится на специализированные графические процессоры, способные быстро обрабатывать огромные массивы информации. Долгое время они использовались как в модульных монтажных станциях, так и в Desktop системах. Но жизнь не стоит на месте, и пришло время, когда, наконец, появились производительные видеопроцессоры специально предназначенные для работы в составе настольного комплекса и тесно интегрированные с архитектурой ПК. Именно в соответствии с этим принципом и спроектирован новейший графический чип HUB3 американской фирмы Pinnacle Systems.

Прежде чем перейти к описанию этого многофункционального процессора, хотелось бы вкратце описать общие принципы построения компьютерных систем для обработки видео. Большинство современных цифровых плат для нелинейного монтажа, позаимствовали свою потоковую архитектуру у систем, работающих с аналоговым сигналом. В этом случае все видео и аудио потоки проходят через ряд real-time процессоров и смешиваются в выходном микшере. Схема последовательности обработки задается при проектировании и любые изменения невозможны без изменения дизайна платы. Жестко заложенный алгоритм обработки, невозможность одновременной работы с сигналами различных форматов, работа только с двумя слоями видео – вот основные негативные черты доставшиеся в наследство от традиционных двухпотоковых монтажных плат. В идеале же современная цифровая система должна удовлетворять принципам масштабирования, расширяемости, и иметь возможность перепрограммирования. Все это требует применения мощного видеопроцессора с гибким доступом к емкой и быстрой оперативной памяти. В терминологии Pinnacle systems подобная архитектура получила название "Memory centric".

Данная технология подразумевает преобразование любого входного сигнала в цифровой массив, размещаемый в локальной оперативной памяти. Затем, графический процессор выполняет необходимые преобразования и, в свою очередь, также помещает результаты в ОЗУ. После завершения операции выходной массив снова превращается в цифровой поток. По сравнению с традиционной архитектурой, "memory centric" имеет целый ряд преимуществ. Прежде всего, это исключительное сочетание гибкости, характерной для чисто программных решений и скорости аппаратной акселерации. Кроме того, представление видеопотока в форме числового массива позволяет использовать любые разрешения и одновременно легко работать c любым форматом сигнала.

Первой платой нелинейного видеомонтажа, которая использовала "memory centric" архитектуру была мультиплатформенная Targa 2000, построенная на видеопроцессоре HUB2. Она нашла очень широкое применение в профессиональных продуктах самого различного уровня как на платформе PC, так и на MAC системах и до сих пор пользуется заслуженной популярностью. Следующим шагом стало создание нового процессора HUB3, который по производительности более чем в 4 раза превосходит своего предшественника.

HUB3 - специализированный видеопроцессор с высокой степенью интеграции выполненный по 0.25-микронной технологии. В соответствии с концепцией "memory centric" при его создании основное внимание было уделено обеспечению высокоскоростного обмена данными с оперативной памятью. Для этого используется 128 - разрядная шина данных с тактовой частотой 100 МГц. В результате пиковая пропускная способность достигает 1.5 ГБайт/с, что дает возможность передавать до 75 потоков некомпрессированного 4:2:2 видео стандарта CCIR 601 в реальном времени. Все внутренние преобразования осуществляются в представлении 4:4:4:4 или 4:2:2:4 при глубине квантования 8, 10 или 16 бит на каждый компонент, что обеспечивает очень высокое качество выходного сигнала. HUB3 имеет два независимо программируемых блока обработки данных, которые могут работать параллельно. Каждый из них способен обрабатывать до 100 Мпиксел/сек, что почти в 8 раз превышает потребности по воспроизведению видео в стандартном разрешении NTSС или PAL. Новый процессор ориентирован на применение современных быстродействующих микросхем ОЗУ типа SDRAM, что позволяет не только обеспечить высокую производительность, но и открывает возможность использования стандартных недорогих микросхем памяти. В отличие от большинства представителей предыдущего поколения HUB3 имеет очень гибкую архитектуру, изменяемую программным путем. Например, имеется возможность перепрограммировать процессор так, чтобы он обрабатывал кадры с соотношением сторон 16:9, или использовал прогрессивную развертку без каких-либо аппаратных изменений.

Для того, чтобы обеспечить удовлетворительную работу с несжатым видеосигналом разработчики использовали много оригинальных технических решений и значительная часть из них касается интерфейсов с внешними устройствами. Так, производительности наиболее распространенной 32 битной PCI шины не хватает для передачи больших потоков некомпрессированного видео и поэтому HUB3 использует собственный встроенный 64 битный DMA (Direct Memory Access) интерфейс, ориентированный на применение 33 МГц промышленной шины PCI64. При этом максимальная скорость обмена между графическим процессором и системной памятью или дисковой подсистемой составляет 200 Мбайт/сек. Для внешнего обмена медиа данными чип имеет по 5 встроенных портов ввода и вывода, каждый из которых может работать с одним слоем некомпрессированного видео и 8 каналами цифрового звука. Все порты имеют собственные внутренние DMA каналы для быстрого и независимого доступа к ОЗУ. В результате процессы кодирования/декодирования видео и звука, микширования, кеинга, и многие другие выполняются в реальном времени с использованием локальной оперативной памяти.

Подводя краткий итог, можно сказать, что уникальные возможности HUB3 позволяют создавать монтажные программно-аппаратные комплексы никак не ограничивающие художественные замыслы и открыть новую страницу в истории компьютерных систем обработки видео.

Мощные ресурсы видеопроцессора и современная архитектура являются стержнем, вокруг которого строится система, однако для полноценной работы этого недостаточно. Необходимо разработать плату, увязывающую воедино все компоненты, написать драйверы и дополнительное программное обеспечение, провести гигантскую работу по тестированию и отладке. В итоге, появилось наиболее производительное решение для настольных систем видеомонтажа - Targa3000.

Плата Targa3000

Конструктивно Targa3000 (T3K) представляет собой полноразмерную PCI64 плату с DV портом и разъемом для подключения внешних коммутационных боксов. На плате установлено 128 Мбайт оперативной памяти и два аппаратных DV25/MPEG2 кодека С-Cube DVXpress.

Плата Targa3000

С чипов снят радиатор

Предусмотрен и специальный разъем для подключения дочерней платы 3D эффектов - Pinnacle Infinite 3D DVE. Тarga3000 позволяет одновременно воспроизводить до 4 потоков несжатого видео и 5 слоев графики в реальном времени. При этом, на основании тестов в зависимости от общей производительности системы пользователь сам устанавливает количество слоев, которые будут воспроизводиться без просчета. Работа с максимальным числом потоков требует высокопроизводительного SCSI RAID массива, однако, стоимость такого решения исключительно высока. Именно поэтому появилось ощибочное мнение, что T3K работает только с тремя слоями видео в реальном времени, т.к. в этом случае требования к системе существенно ниже. В целом же, способности платы по воспроизведению нескольких потоков видео совершенно уникальны и, если необходимо, выполнить сложный монтаж можно использовать до 16 слоев с аппаратным ускорением и немедленным выводом результатов на монитор в процессе просчета. Подобная технология "масштабируемого рендеринга" позволяет не только значительно ускорить работу, но и делает ее более наглядной.

Кроме работы с несжатым сигналом в форматах YUVA и RGBA (с ключевым сигналом) предусмотрено и применение двух наиболее перспективных на сегодняшний день типов компрессии - DV25 и MPEG-2 (I-frames 2-50 Мбит/с). При этом существет возможность гибко настраивать основные параметры MPEG потока и, что особенно важно, использовать в одном проекте материалы в любом из перечисленных форматов.

Как и все современные видеомонтажные платы T3K имеет богатый набор из нескольких сотен 2D эффектов и фильтров, которые выполняются в реальном времени, а в комплект программного обеспечения входит программный модуль FX Factory - исключительно гибкий механизм для настройки, который позволяет изменять огромное количество различных параметров и создавать собственные эффекты. Если же требуется применение сложных трехмерных переходов можно воспользоваться известным программным 3D эффектором Hollywood FX, который поставляется вместе с платой. Кроме этого Targa3000 в реальном времени выполняет цветокоррекцию, альфа, люма, и хромакеинг по любой цветовой компоненте с сохранением теней. Еще одной характерной особенностью нового продукта является исключительно качественное выполнение функций замедленного и ускоренного воспроизведения. Благодаря использованию архитектуры "memory centric" и новому алгоритму эти операции также не требуют предварительного просчета.

Подсистема ввода/вывода

С самого начала развития настольных систем для монтажа видео появилась проблема с размещением внешних разъемов на PCI плате. Для работы с разнообразным цифровым и аналоговым оборудованием требуется от 18 до 30 различных коннекторов, а реально с наружной стороны корпуса компьютера доступна только небольшая стенка на которой можно разместить не более 4-5 стандартных разъемов типа RCA или BNC. Первым, и наиболее простым решением проблемы стало использование пассивного аналогового интерфейса - длинного кабельного "хвоста" с многоконтактной D-SUB вилкой на одном конце и комплектом аудио и видео разъемов на другом. За характерный внешний вид такой шлейф получил точное образное название "голова медузы". Кроме исключительного неудобства этот пучек кабелей служит еще и источником шумов. Конечно, за счет продуманного размещения контактов можно уменьшить влияние перекрестных помех в тесном D-SUB разъеме, однако полностью избавиться от них не удается, да и получить одинаковое волновое сопротивление по всей длине кабеля не представляется возможным. Появление внешних аналоговых боксов, на передней панели которых размещались все необходимые разъемы, улучшило ситуацию и подключать аппаратуру стало гораздо удобнее, однако, толстый интерфейсный кабель по-прежнему содержащий полный комплект экранированных коаксиальных кабелей остался источником неприятностей. Серьезным шагом вперед стало использование активных аналоговых боксов (BreakoutBox, BoB), которые позволили сократить количество соединительных линий до минимума. Основная идея подобного подхода состоит в том, что BoB является самостоятельным активным устройством. Все аналоговые сигналы преобразуются в нем в один формат (чаще всего компонентный для видео и симметричный балансный для аудио), который и используется для передачи. Во внешнем блоке установлены предварительные усилители, однако, все аналого-цифровые преобразования по-прежнему осуществляются на PCI карте и именно поэтому появление помех и шумов от сильных электромагнитных полей внутри системного блока остается нерешенной проблемой. Конечно, в целом, использование активного аналогового интерфейса значительно улучшило характеристики системы ввода/вывода, однако единственным полноценным решением является цифровая линия связи. В этом случае внешний Breakout Box выполняет функцию ЦАП/АЦП и весь обмен данными осуществляется только в цифровом виде. Разработчики Targa 3000 пошли дальше и создали универсальный интерфейс - Digital Tether для подключения как аналоговых, так и цифровых устройств.

Digital Tether - цифровой двунаправленный интерфейс между PCI картой и внешним Breakout Box. Передача аудио, видео и управляющей информации осуществляется со скоростью до 1485 Мбит/сек в каждом направлении. Для обмена данными используются LVD (Lov Voltage Differential) стандарт, обеспечивающий хорошую помехозащищенность и малое энергопотребление. Все аналоговые преобразования сигналов теперь перенесены в BoB, подальше от мощного источника электромагнитных полей – компьютера. Digital Tether может одинаково легко работать как в со стандартным разрешения PAL/NTSC(768x576), так и с HDTV, однако, к сожалению, Targa 3000 пока не работает в режиме High Definition. В режиме SDTV на частоте 27 МГц можно одновременно передавать до 2 видео и 32 аудио каналов. Вся дополнительная информация необходимая для инициализации и управления Breakout Box передается по тем же сигнальным линиям, что и медиа данные и не требует отдельного канала.

На сегодняшний день в комплекте с Targa3000 поставляется на выбор один из двух внешних модулей - Targa Pro Digital или Targa Pro Analog. Аналоговый BoB имеет полный комплект компонентных, композитных и Y/C видео разъемов, а также балансные и небалансные входы/выходы, а цифровой модуль обеспечивает работу с SDI сигналом и представляет собой небольшой бокс с двумя BNC коннекторами. Согласно анонсам Pinnacle Systems в ближайшее время должен появится и смешанный аналого-цифровой Breakout Box, который позволит T3K работать с любым современным видеооборудованием без лишней перекоммутации. Система управления Digital Tether предусматривает автоматическую идентификацию подключенного внешнего модуля и позволяет заменять их без какой либо предварительной подготовки или перенастройки. Для защиты от перегрузки или короткого замыкания служит блок автоматических предохранителей, которые после прекращения разрушающего воздействия самостоятельно возвращаются в исходное состояние. Серьезные измнения коснулись и внешней части - кабель между внешним боксом и PCI картой больше не напоминает пожарный шланг, т.к. стал в несколько раз тоньше, да и заканчивается он теперь небольшим 36 пиновым разъемом типа mini Centronix.

В целом, можно сказать что внешний интерфейс Targa 3000 самостоятельная интересная разработка, достойная самого пристального внимания. Благодаря современным техническим решениям и смелому революционному подходу были решены практически все основные проблемы системы ввода/вывода и сделан серьезный шаг вперед направленный на улучшение качества сигнала.

Software

Как и любая компьютерная система для нелинейного видеомонтажа Targa3000 представляет собой сложный комплекс программных и аппаратных средств. Про серъезные технические возможности аппаратуры было сказано уже достаточно много и настало время поговорить и о программном обеспечении этой новой платы. В связи с тем, что T3K появилась на рынке совсем недавно далеко не все популярные монтажные программы могут с ней работать. Вероятно, в полной полной мере все возможности новой платы будут раскрыты с видеоредактором *edit фирмы discreet logic. К сожалению, на сегодняшний день выпуск версии 6.0 задерживается, а предудущий релиз не работает с T3K. Однако, уже сегодня выбирая систему на базе Targa вы получаете полноценную монтажную студию, работающую с Adobe Premiere 5.1c или Speed Razor 2000x фирмы in-sync. При этом, в отличие от большинства видеомонтажных плат ориентированных на работу с Adobe Premiere Targa3000 имеет драйвера с наглядным интуитивным интерфейсом, постоянно доступным пользователю. Для этого все установки карты и внешнего модуля выведены на одну общую панель, снабженную закладками. Полезной функцией стало и добавление отдельного окна с индикаторами звука что существенно упрощает настройку и контроль аудиоканала.

Кроме видеоредактора в комплект ПО входит Commotion Pro 3.0 - мощная современная программа для композитинга, ротоскопинга и кеинга. Как и все современные платы компании Pinnacle Systems для подготовки и вывода текстовой информации Targa3000 использует популярный титровальный модуль Title Deko с большим количеством предустановленных настроек и шаблонов. Вполне очевидно, что из-за использования ресурсов карты наложение как статичных так и движущихся титров не требуют предварительного просчета.

Вывод

Прежде всего, надо отметить, что системы нелинейного монтажа серьезно потеснили традиционные "линейки" и гибридные монтажные комплексы. Использование только компьютерной системы монтажа, конечно же, имеет свои достоинства и недостатки, однако совершенно неоспоримо то, что такое решение не только позволяет очень гибко подстраивать систему под требования конкретного видеопроизводства, но экономит деньги. Уже сегодня стоимость даже самой мощной рабочей станции на платформе Targa3000 в несколько раз меньше чем многопостовый монтажный комплекс с магнитофонами, микшерами, контроллерами и эффекторами. А ведь по выполняемым функциям они уже почти сравнялись - абсолютное большинство фильтров, эффектов и переходов настольная компьютерная система теперь может выполнять в реальном времени. Все это позволяет позиционировать T3K как монтажную систему оперативного, сложного монтажа в условия дефицита времени для крупных студий и телевизионных каналов. Цветовое представление 4:4:4:4, возможность работать с некомпрессированным сигналом и современное программное обеспечение позволяют с успехом применять Targa3000 для задач многослойного видеомонтажа и композитинга. Еще одним применением может быть совместная работа в сети из нескольких видеомашин. Причем, в паре можно использовать не только такие же рабочие станции, но и существенно более скромные с точки зрения системных требований DV500. Это особенно интересно потому, что существует полная взаимная соместимость файлов записанных в стандарте DV25. Примером такого решения может быть студия монтажа новостей, когда на "клиентских машинах" происходит захват и предварительная обработка исходного матерала, а на головной машине осуществляется финальный монтаж, композитинг, CD/DVD мастеринг.

Targa3000 знаменует собой начало новой эпохи в истории систем для цифровой обработки сигнала и, думается, не будет большим преувеличением предположение о том, что пройдет совсем немного времени и многочисленные производители программного и аппаратного обеспечения будут ориентироваться на Targa3000 как на новый стандарт в области видеопроизводства.