Теория genlock

Genlock - сокращение от generated lock (произвести захват), способ синхронизации устройства, выводящего изображение, от внешнего источника опорного синхро- или видеосигнала. В мире компьютеров Amiga под термином genlock понимают специализированное устройство для захвата, синхронизации и наложения компьютерной графики, выдаваемой компьютером Amiga на внешний видеосигнал. Для более полного понимания принципов работы genlock, приведем основные положения телевидения. Как известно изображение в аналоговом видео состоит из 625 для PAL/SECAM (525 для NTSC) строк и состоит из 2 полей по 312,5 (262,5) строк. За 1 секунду передаются 25 (30) кадров или 50 (60) полей. Полоса, занимаемая видеосигналом достигает 6 МГц. Для передачи цвета используется принцип сложения основных цветов: красного(R), зеленого(G) и синего(B). Аналогичный способ применяется в мониторах и видеокартах. Однако использование 3-х компонентной составляющей для передачи цветного ТВ сигнала представляет существенные ограничения. Основные из них -это широкая полоса, занимаемая таким видеосигналом и несовместимость с обычным ЧБ телевидением. Для сужения занимаемой полосы частот и достижения совместимости с ЧБ ТВ сигналом, используются некоторые особенности восприятия изображения человеческим глазом. Было установлено, что человеческий глаз чувствительнее к яркостной составляющей изображения, чем к его цветности. (Это неудивительно, кто знаком с анатомией человеческого глаза знает, что количество колбочек, чувствительных к яркости, значительно больше количества палочек, чувствительных к цветовой составляющей изображения).

Используя эту особенность человеческого зрения, была разработана система цветоразностной передачи цветного изображения. Цветной ТВ сигнал состоит из яркостной (Y) и двух цветоразностных (R-Y и B-Y) составляющих. Обычный ЧБ ТВ приемник воспринимает только Y составляющую и передает изображение в монохромном виде. В цветном ТВ приемнике используются специальные схемы суммирования: из трех составляющих (Y, R-Y и B-Y) восстанавливают исходные составляющие красного (R), синего (B) и зеленого (G) цвета, которые подаются на соответствующие электронные пушки кинескопа.

Для сужения полосы частот, занимаемой цветным ТВ сигналом, сигналы R-Y и B-Y передают с использованием полосы частот в 2 раза уже. Полосы частот цветоразностных сигналов сужают с помощью фильтров и применяют схемы модуляции, позволяющие передавать два цветоразностных сигнала в одном общем участке спектра. Цветоразностные составляющие передаются так, что их спектр располагается в высокочастотной части спектра сигнала яркости.

За счет дополнительных ухищрений с выбором частот поднесущей, модулированной цветоразностными сигналами (PAL или NTSC только), удается даже добиться того, что информация о яркости передается в одних множественных узких участках спектра, а информация о цвете - в других. В конце концов получается, что ширина спектра цветного видеосигнала при вещании не шире, чем у черно-белого.

Сужение полосы частот снижает разрешающую способность по цвету в 2 раза, но, учитывая особенности глаза, практически незаметно. В цифровом ТВ принято разбиение одного ТВ кадра на пиксели, что наиболее удобно для дальнейшей цифровой обработки. Каждый ТВ кадр разбивается на 768 точек по горизонтали и 576 точек по вертикали для сигналов PAL/SECAM (640 на 480 для NTSC) при стандартном для ТВ соотношении ширины к высоте изображения равным 4:3. Следует заметить, что в телевидении высокой четкости (ТВЧ или HDTV) принято соотношение 16:9, более близкое к размеру киноэкрана. Таким образом, получается два полукадра (поля) с разрешением 384Х288 (320Х240 для NTSC) при частоте 50(60) полей или 25(30) кадров в секунду.

Считается, что для полного восприятия информации о яркости и цвете необходимо каждую точку изображения передавать как минимум 256 уровнями или 8 битным кодированием. Каждая точка цветного видеоизображения должна кодироваться 24 разрядным словом (8 бит Х 3 составляющие) или по компьютерной терминологии 24 бит/пиксель (24bpp). Для кинематографа используется разрядность 64 бит/пиксель.

Видеоконтроллер в Amiga построен таким образом, что он наилучшим образом состыкуется с вышеописанными видеоформатами. Каждый пиксель кодируется 24-мя битами и каждому пикселю соответствует еще один бит - genlock, "говорящий" откуда берется текущий пиксель: из регистра заднего фона (B0) или из любого другого. Формат выводимого изображения: 736Х566 (overscan) с телевизионными черезстрочными (interlace) развертками изображения (два поля 736Х283 пикселя).

В компьютерах Amiga существует специальный видеоразъем, через который аналоговые сигналы R,G и B, а также синхроимпульсы, подаются на внешние видеоустройства (телевизор, монитор, genlock и др.). Кроме того, на этом разъеме присутствует сигнал PXLSW (pixel switch), связанный с битом genlock, и контакт XCLK для подачи внешней тактовой частоты (28 MHz) синхронизированной с видеосигналом. Контакт XCLKEN при этом должен быть замкнут на общий провод.

Кроме выходного сигнала смешанных синхроимпульсов CSYNC, на этом разъеме присутствуют два сигнала раздельной синхронизации HSYNC и VSYNC (использующиеся для подачи в "обычном" режиме для синхронизации изображения на мониторе), которые в режиме genlock становятся входами. На них подаются синхроимпульсы, выделенные из видеосигнала для синхронизации выводимого компьютером изображения.

На начальном этапе загрузки управляющая программа компьютера Amiga (kickstart) определяет наличие строчных синхроимпульсов на контакте HSYNC и, если они есть, компьютер переводится в режим genlock. Входной видеосигнал декодируется до сигналов R,G,B и подается на быстродействующий коммутатор, который как раз и управляется сигналом PXLSW. На второй вход коммутатора, естественно, подаются RGB сигналы с компьютера Amiga. Таким образом осуществляется синхронизация и наложение компьютерной графики на видеосигнал. Выходной сигнал видеокоммутатора подается на кодер изображения, на который для лучшей стабильности цвета может подаваться сигнал цветовой поднесущей с видеоразъема компьютера Amiga - С1 (3,58 MHz). Генератор внешней тактовой (пиксельной) частоты синхронизируется со строчными синхроимпульсами, выделяемыми из видеосигнала сепараторм синхроимпульсов, при помощи системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

На рисунке не показаны некоторые элементы коммутации и управления, а также формирования видеоэффектов.
Типовые видеоэффекты:

• альфа-канал (эффект "прозрачности" компьютерного изображения)
• chroma-key, эффект, при котором область видеоизображения определенного цвета заменяется на компьютерное изображение. Очень популярен blue-box keying - прокеивание по голубому цвету.
• luma -key, эффект, при котором область видеоизображения определенной яркости заменяется на компьютерную картинку
• invert ("замочная скважина")
• цветокоррекция видеосигнала
• негатив
• монохром
• различные "шторки" (wipes)
• затемнение (fader) и др.

Следует заметить, что для реализации некоторых эффектов схема genlock может значительно усложниться, что приведет к заметному удорожанию устройства.

Существует и другой способ наложения компьютерного изображения. Часть схемы отвечающая за синхронизацию выводимой компьютерной графики остается той же самой. Отличия - в построении тракта обработки видеосигнала. Компьютерное изображение сначала кодируется, а затем уже подается на видеокоммутатор, на второй вход которого подается видеосигнал. При этом для качественной синхронизации и наложения изображения необходимо выполнение следующих условий:

• синхронность на уровне кадров

• синхронность на уровне строк

• обеспечение одинаковой фазы цветовой поднесущей (в композитном PAL)

• одинаковым уровнем "черного"

Преимущество этого способа - отсутствие декодирования и кодирования видеосигнала и , как следствие, лучшее качество. Недостаток - невозможность простой реализации видеоэффектов с видеосигналом (напр. цветокоррекция, альфа-канал, хрома-кей и др.). Конечно, можно скомбинировать оба способа для устранения "слабых" сторон, но устройство получается еще сложнее.

Genlock может быть реализован на практике с помощью аналоговой или цифровой обработки сигналов. Цифровая дает неоспоримые преимущества. Например, так как выходной декодированный сигнал представлен в цифровом виде, можно "записать" его в специальный кадровый видеобуфер, построенный по принципу FIFO (первый вошел - первый вышел) и позволяющий асинхронно записывать и считывать из него информацию. С помощью управляющего микропроцессора можно автоматизировать процедуры управления параметрами и коммутацией видеосигнала. Кодировать сигнал можно в любой другой системе, отличной от входного сигнала. При этом становится возможным реализовать следующие устройства:

• синхронный коммутатор

• цифровой транскодер

• корректор временных искажений -устройство, позволяющее значительно улучшить качество видеоизображения

• генератор видеоэффектов

• генератор логотипов и эфирных заставок, не зависящий от компьютера

Кроме того, цифровая схемотехника значительно уменьшает число элементов, увеличивая надежность, повышает стабильность и упрощает настройку устройства. Правда платить приходится сложностью разработки и удорожанием подобных устройств, переводя разработки из плоскости работы с паяльником в плоскость написания и отладки программ для специализированных микропроцессоров и БИС.

Все вышеописанные устройства могут управляться как с передней панели, так и от компьютера. Также необходимы некоторые элементы индикации режимов работы и состояния регулировок. Логично эти функции возложить на управляющий однокристальный микропроцессор, который обеспечивает общий алгоритм работы устройства.

Устройства титрования и наложения компьютерной графики для PC строятся по аналогичному принципу, но вместо чипсета Амиги используется микросхема или чипсет, программируемый синхронно с графической картой компьютера, но работающий на телевизионных частотах разверток и синхронизируемый внешними синхроимпульсами. Во внешних блоках используются специализированные микросхемы скан-конверторов, которые преобразуют различные SVGA развертки и форматы изображения в телевизионный формат, а далее все однотипно. Внешние блоки имеют ряд преимуществ - не занимают системные ресурсы (PCI слот, прерывания и т. д.), с ними не возникает конфликтов с другими устройствами системы, легки в подключении и отключении и др., но имеют, обычно, более высокую цену.

 Станции нелинейного видеомонтажа на базе Amiga 
 Видеомонтаж на базе клонов Amiga
 Генлоки
 Станции нелинейного аудиомонтажа на базе Amiga

 Акселераторы для Амига
 Для тех, кто хочет больше узнать об Амиге
 Для тех,  у кого стоит RISK-процессор на  Амиге