Цифровой коннект

9 декабря 2002 года команда разработчиков в составе представителей фирм Hitachi, Panasonic, Philips, Silicon Image, Sony, Thomson и Toshiba объявила о выходе финальной (1.0) спецификации нового стандарта передачи аудио-, видео- и служебной информации в домашней AV-электронике HDMI (High Definition Multimedia Interface — мультимедийный интерфейс высокого разрешения). HDMI обещает возможность передачи в цифровом виде некомпрессированного изображения в стандарте телевидения высокого разрешения и многоканального звукового сопровождения, обеспечивая при этом серьезную защиту цифрового контента от несанкционированного копирования

Современный мультимедийный компьютер уже не обходится без интерфейсов DVI и IEEE 1394

Последнее десятилетие в сфере домашней AV-электроники ознаменовалось практически полным переходом всех видов техники на цифровые технологии. Вслед за успешным завоеванием сердец любителей качественного звука компакт-диском инициативу подхватили DVD-технологии и цифровые видеокамеры формата MiniDV. Цифра проникла в космическое пространство, обеспечив даже самые отдаленные уголки планеты возможностью качественного просмотра телепрограмм. Одновременно средства отображения видеоинформации стали испытывать лавинообразное распространение цифровых технологий. Уже никого не удивишь плоскопанельными телевизорами на основе PDP- (плазма) и LCD-матриц, проекторами с DLP-чипами… Затем очередь дошла до звуковых усилителей (в продаже уже много моделей цифровых 1-битных усилителей) и до — святая святых аудиоиндустрии — акустических систем! На подходе новая технологическая волна — домашняя запись AV-программ на DVD-носитель (DVD-R/RW, DVD+R/RW). Параллельно ведутся работы по распространению и популяризации телевидения высокой четкости (HDTV). Несколько миллионов семей во всем мире уже имеют возможность просмотра программ высокой четкости (Австралия, Великобритания, США, Южная Корея, Япония). В начале будущего года стартует проект Euro1080 — спутниковый канал, транслирующий на всю территорию Европы главные спортивные события, музыкальные программы с качественным видео и кинофильмы, кодированные по стандарту HDTV. Есть уже и бытовая аппаратура для записи и воспроизведения программ телевидения высокой четкости: D-VHS-видеомагнитофон JVC на платформе D-Theater, DVD-рекордеры на основе технологии Blu-Ray (например, Sony BDZ-S77)…
   Ситуация, в которой с приходом цифры оказалась индустрия развлечений, в известной степени парадоксальна: с одной стороны, почти все слагаемые домашнего AV-комплекса — цифровые и оперируют цифровым же контентом, но для подключения различных устройств друг к другу до сих пор используется в основном аналоговое соединение с необходимостью двойного преобразования «аналог–цифра/цифра–аналог». Гораздо логичней реализовать чисто цифровую связь. Тогда изображение оптимального качества получить проще, и передать аудиоданные без потерь, и управляющие (служебные) сигналы транслировать при помощи всего лишь одного кабеля, который можно проложить на довольно большое расстояние. Понятно, что цифровые AV-интерфейсы — это путь в будущее.
   Впрочем, несмотря на щедрые обещания, некоторые пользователи подозревают, что за приманкой в виде лучшего качества может скрываться подвох. Речь идет о стремлении фирм во что бы то ни стало обеспечить надежную защиту содержания от копирования (порой в ущерб потребителю). Голливудские студии из американской киноассоциации (Motion Picture Assotiation of America — MPAA) хотят защитить цифровые соединения перед тем, как сигнал превратится в аналог. Представители компаний считают, что так как сигнал «юридически чист» в аналоговой форме, то он может быть преобразован обратно в цифру и, таким образом, нелегально скопирован и распространен (например, через интернет). То, чего опасаются «мэйджоры», на самом деле, давно происходит с сигналами стандартного разрешения, которые транслируются по каналам цифрового телевидения или записываются на DVD-Video. Вспомним скандал со взломом системы защиты CSS, и опасения Голливуда станут понятны. На сегодняшний день применяются два различных метода для предотвращения копирования в аналоговом виде. Один из них заключается в том, чтобы полностью отказаться от аналоговых интерфейсов в AV-продуктах или исказить сигнал на выходе таким образом, чтобы он уже не являлся HDTV. Этого требует соглашение DTCP (Digital Transmission Content Protection — система защиты цифрового контента, применяемая в IEEE1394), которое добавляет следующее условие для использования аналоговых видеовыходов (при наличии IEEE1394): сигнал аналогового HD-выхода должен быть уменьшен в разрешении до 960х540. Метод известен как «стесненное изображение». Другой метод предлагает использовать так называемые «водяные знаки» — особые метки, внедряемые в аналоговый сигнал. Они будут восприниматься аналоговым входом дисплеев и цифровых устройств, чьи аналогово-цифровые преобразователи будут соответствующим образом реагировать на появление меток. К настоящему времени заметен некоторый прогресс в этой области, и уже создана рабочая схема на основе «водяных знаков». Сторонники первого метода выкладывают свои козыри: в новом торговом законодательстве США говорится о требовании отсутствия любых аналоговых выходов в цифровых устройствах, которые будут поставляться на потребительский рынок после июля 2005 года. Несовместимость новой техники может весьма болезненно отозваться на потребителе. Сумеет ли эта мера остановить пиратов? Криптографический анализ, проведенный ведущими исследователями, показал, что в HDCP-технологии имеется лазейка, позволяющая относительно легко взломать систему… Однако стандарт DTCP, используемый в интерфейсе IEEE1394 для бытовых применений, похоже, сможет противостоять таким атакам.

IEEE1394

Наиболее распространенным на сегодняшний день цифровым интерфейсом, который используется в домашней электронике, является IEEE1394 (известный также как FireWire или i.Link). IEEE — это аббревиатура международной организации Institute of Electronical Engeneers, а 1394 — номер стандарта по принятой классификации. Первое техническое описание IEEE1394 вышло в 1990 году, и только через пять лет благодаря усилиям фирмы Sony интерфейс был принят на вооружение для подключения цифровых видеокамер к компьютеру (в настоящее время все модели цифровых камкордеров оснащаются этим интерфейсом, причем большинство из них — двунаправленным). Год спустя, в демонстрационном зале штаб-квартиры Sony в Токио был показан настоящий цифровой домашний AV-комплекс, все соединения в котором производились по шине i.Link. На страницах Stereo&Video мы неоднократно рассказывали об интерфейсе IEEE1394; подробный материал — «Аудио и видео всех фирм, соединяйтесь» (S&V, сентябрь 1999). К сожалению, такого воссоединения не произошло, а мир так и не увидел домашних HAVi-сетей на основе FireWire. Его применение до сих пор ограничивается скачиванием цифрового видео с видеокамеры в компьютер или (в последнее время) на DVD-рекордер. Тем не менее разработчики стандарта не теряют надежд, что он составит реальную конкуренцию новым протоколам для коммутации AV-продуктов. Дело в том, что максимальная пропускная способность, реализуемая в устройствах с IEEE1394, составляет 400 Мбит/с (заметим, что уже приняты более скоростные спецификации: 800 Мбит/с и даже 1,6 Гбит/с). Такой скорости не хватает для передачи видеосигналов с прогрессивной разверткой и высоким разрешением без дополнительного использования алгоритмов сжатия. Эта ключевая особенность означает, что в бытовой AV-аппаратуре IEEE1394 сможет передавать форматы высокого разрешения только в виде MPEG-потока (при этом дисплей, совместимый с цифровым интерфейсом, должен иметь встроенный MPEG-декодер). Однако пока большинство моделей HDTV-дисплеев не имеет IEEE1394-входа или поддерживает его опционально (исключения составляют некоторые модели от Mitsubishi и Sony).

DVI

DVI-вход крупным планом

ЖК-телевизор Samsung LW-40A13W оснащен входом DVI

плазма Thomson 42WP94E с DVI входом

переходник DVI-I — VGA

Стандарт DVI (Digital Visual Interface — цифровой видеоинтерфейс), появившийся в 1999 году, был создан рабочей группой по цифровым дисплеям (Digital Display Working Group), в которую входят компании Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, Intel, NEC и Silicon Image. Базовая технология DVI использовалась еще раньше в более старом интерфейсе DFP, который однако не получил широкого распространения. Первоначально DVI задумывался для подключения компьютера к ЖК-дисплеям (для этого он в основном и используется). Большое количество современных видеокарт для ПК оснащается, по крайней мере, одним DVI-выходом. DVI — это 24-битный RGB-протокол, основанный на сигнальной TMDS-технологии (Transition Minimized Differential Signaling). Одиночное DVI-соединение, так называемый линк, состоит из трех пар дифференциальных низкоуровневых цифровых сигналов — по одному на красный, синий и зеленый, плюс несколько сигналов синхронизации. Данные для каждого 8-битного RGB-компонента передаются в виде последовательного потока с максимальной скоростью 1,65 Гбит/с. Таким образом, максимальная скорость передачи данных для одного линка составляет 4,95 Гбит/с. Это гораздо быстрее, чем в любом из существующих ныне бытовых стандартов! Каждый байт (8 бит) в действительности посылается в виде 10-битной последовательности, поэтому реальную скорость передачи данных следует уменьшить до 3,96 Гбит/с. Высокая скорость передачи дает возможность с помощью одного линка передавать изображение в несжатой форме в любом из HDTV-форматов. Результат примерно соответствует качеству компьютерного изображения 1600х1200 (UXGA) с частотой 60 Гц. DVI работает даже с максимально возможным для HDTV-формата сигналом — 1080р/60 (1920х1080 с прогрессивной разверткой и частотой 60 Гц).
   DVI-интерфейс позволяет создавать не один, а пару линков при использовании одного разъема (для этого служат зарезервированные контакты). Двухлинковый DVI способен передавать данные со скоростью 9,9 Гбит/с (эффективное значение — 7,92 Гбит/с), что позволяет получить сигнал с качеством, эквивалентным QXGA 2048х1536 с частотой 60 Гц. Второй линк теоретически может использоваться для передачи более чем 24 бит информации на пиксель, но пока такое применение на практике не встречается.
   Кроме цифровых видеосигналов и синхросигналов, DVI содержит низкоскоростной двунаправленный коммуникационный интерфейс на основе последовательной I2C-шины, разработанной фирмой Phillips. Эта связь позволяет компьютеру (или видеоисточнику) передавать служебную информацию на дисплей (интерфейс называется DDC, Display Data Channel). DDC утвержден ассоциацией видео и электронных стандартов (VESA) для осуществления коммуникаций между компьютерами и мониторами. Источник использует DDC для получения сведений о свойствах монитора из его энергонезависимой памяти. Это дает возможность, например, видеокарте компьютера получить информацию о разрешении монитора и выдать соответствующий видеосигнал (в чем мы имели возможность убедиться при тестировании ЖК-телевизора Sharp LC-30HV2E, см. мартовский выпуск S&V за 2003 год). Коммуникационный протокол соответствует стандарту VESA Enhanced Extended Display Identification Data (E-EDID). Заметим, что протокол DVI позволяет передавать аналоговые RGB- и синхросигналы для аппаратуры, не содержащей цифрового выхода. При использовании этой опции обычно применяют разъем с дополнительными «пинами» (т.е. универсальный), он носит название DVI-I, а без них — DVI-D (только цифровое соединение). DVI также можно задействовать и для передачи аналоговых сигналов, но это не относится к его основному назначению.
   Протокол, получившийся при внедрении в DVI системы HDCP (защита от копирования цифрового содержимого для широкополосных сетей, см. врезку), чаще всего называют «DVI+HDCP». Когда этот интерфейс используется в HDTV, мониторах высокого разрешения или спутниковых тюнерах, в нем обычно присутствует дополнительный стандарт IEA/CEA-861 (в настоящее время действует версия 861-B), который определяет способ пересылки DTV-сигналов как стандартных, так и высокого разрешения через цифровые протоколы без применения компрессии и содержит информацию о частотах синхронизации видеосигналов, формате пикселя и точной структуре пересылки данных. Когда эта комбинация используется в продуктах, работающих с сигналами высокого разрешения, интерфейс называется DVI-HDTV. Еще пару лет назад интерфейс DVI присутствовал лишь в очень небольшом количестве AV-продуктов. К началу 2003 года таких устройств уже насчитывалось больше сотни (порядка 80 моделей HD-телевизоров, более 40 проекторов, десяток спутниковых тюнеров, два DVD-плейера и один AV-ресивер).

HDMI

панель разъемов DLP-видеопроектора NEC HT-1000 содержит вход DVI-D

Коммутационный блок цифровой видеопанели SIM2 Grand Cinema RTX имеет вход DVI-I

Модули для апгрейда DVD-плейера Meridian 800 выходами DVI и HDMI

Мультимедийный интерфейс высокого разрешения (High Definition Multimedia Interface — HDMI) — результат совместных усилий таких гигантов мировой индустрии, как Hitachi, Intel, Panasonic, Philips, Sony, Thomson, Toshiba и Silicon Image. Кроме того, его уже поддержали голливудские киностудии Fox и Universal, провайдеры спутникового телевидения DIRECTV и EchoStar. Прототипы продуктов с этим интерфейсом были показаны на январской выставке CES в Лас-Вегасе (цифровые проекционные телевизоры JVC и Panasonic, цифровой спутниковый тюнер и 63” плазменная панель Samsung, DVD-плейер Meridian 800 класса High End). В розничной продаже их появление ожидается ближе к концу 2003 года. HDMI основан на принципах DVI-HDTV и добавляет к нему возможность передачи многоканального звукового сопровождения в цифровом виде и сигналов управления AV-аппаратурой. Чтобы сделать его еще более привлекательным в качестве пользовательского интерфейса, разработчики уменьшили габариты разъема и добавили поддержку цифрового компонентного видеосигнала (YCbCr) для соответствия стандарту IEA/CEA-861-B. Аудиоспецификации HDMI разработаны с учетом обратной совместимости. В качестве сигнала может использоваться не только сжатый в привычных форматах Dolby Digital и DTS многоканальный цифровой звук, но и несжатый аудиосигнал с предельными разрядностью и частотами дискретизации (до восьми каналов с разрешением 24 бита/192 кГц). Причем качественный звук передается одновременно с видеосигналами высокого разрешения. HDMI передает аудиоданные во время интервалов гашения по схеме, которая не влияет на полосу видеосигнала. Протокол полностью обратносовместим с ранними DVI-применениями и может работать с моделями, игнорирующими прием аудиоданных. HDMI, в отличие от мультиплексированной информации в TDMS-канале или информации, передаваемой по DDC в DVI, просто добавляет новый коммуникационный сигнал. Он действует как двунаправленная шина, которая соединяет все HDMI-устройства по цепочке. Помимо этого, здесь присутствует система пользовательского электронного контроля (Consumer Electronic Control — CEC). Этот коммуникационный протокол основан на популярном стандарте AV.Link, используемом в европейской AV-технике. CEC призван решить мелкие проблемы, связанные с системной работой оборудования. Например, он облегчает использование универсального пульта ДУ для всех устройств, устраняя потребность в инфракрасных повторителях. Кроме того, он позволяет в ответ на одну команду посылать команды управления множеству устройств.
   HDMI, так же как и DVI, поддерживает любые экранные форматы, которые находятся в рамках максимальной пропускной способности интерфейса. Полная поддержка стандарта IEA/ CEA-861-B позволяет ему передавать видеосигнал 1080p с частотами 24, 25, 30, 50 и 60 Гц. (формат 1080p/24 считается наиболее подходящим для фильмов с прогрессивной разверткой при воспроизведении непосредственно с HD-источника с разрешением 1080 линий). Правда, на текущий момент такой сигнал без пересчета может передать лишь считанное количество устройств воспроизведения. HDMI опционально поддерживает и двухлинковое соединение, но оно практически не используется, т.к. даже на одном линке HDMI превосходит последовательный профессиональный HD-интерфейс SMPTE 292M. HDMI предлагает и другие функции, предназначенные для обеспечения высокого качества изображения и звука. Источник может определить параметры изображения, такие как цветовое пространство (обычное или телевидения высокого разрешения), соотношение сторон экрана, метод кодировки (для сжатого аудио), частота выборки… В описании IEA/CEA-861-B говорится о поддержке 8 бит на каждый компонент RGB или YCbCr (24 бита 4:4:4 для любого из них или 16 бит 4:2:2 для YCbCr). HDMI предоставляет до 12 бит на компонент для 4:2:2 YCbCr-сигнала (даже для разрешения 1080p/60). Для сравнения: профессиональный HD-мастеринг в настоящее время использует лишь 10 бит на 4:2:2 компонент. Какая битность ТВ-сигнала окажется достаточной для реальных применений — покажет время.
   Для HDMI разработан новый 19-контактный разъем, который значительно меньше, чем разъем DVI. Его применение будет особенно удобно в портативной технике. Кроме того, кабель с маленьким разъемом проще проложить при инсталляции систем домашнего кинотеатра.

«Подводные камни» при использовании цифровых интерфейсов

За последний год было представлено множество образцов бытовой AV-техники с DVI-интерфейсом. Позже был добавлен стандарт HDCP (DVI+HDCP) или HDCP, совместимый с IEA/CEA-861 (DVI-HDTV). К сожалению, во времена, когда все разъемы выглядели одинаково (особенно это касается версии с аналоговым RGB), невозможно было отличить, какую версию интерфейса использует модель. Выбирая монитор, не поддерживающий HDCP, потребители рисковали получить продукт, не воспроизводящий защищенные данные. Все DVI-источники обязаны поддерживать передачу 24-битных данных RGB, которые должны принимать DVI-дисплеи. Кроме того, источник обязан запрашивать дисплей, какой формат он поддерживает. Эта процедура позволяет найти золотую середину, которая, однако, не всегда совпадает с оптимальным режимом работы монитора. К сожалению, даже если источник и дисплей используют идентичный вариант DVI, все же могут возникать некоторые проблемы. Из-за множества факторов, таких как разница в дизайне чипов и плат, качестве соединительных кабелей, на картинке иногда возникают артефакты. Протяженность кабеля в отдельных случаях может сказаться на качестве (стандарт DVI не определяет максимальную длину шлейфа). Оптимальная протяженность кабеля определяется частотой синхронизации пикселей, выбранным видеоформатом… Это приводит к парадоксам: можно наблюдать превосходный результат, используя 15-метровый кабель или, наоборот, увидеть артефакты, используя 1,5-метровый… Уже существуют устройства, которые в состоянии передать DVI-сигнал на 100 и более метров. Имеются волоконно-оптические кабели и соответствующие конвертеры.
   Описанные удлинители пока еще слишком дороги для большинства потенциальных пользователей DVI. К счастью, наметилось решение и этой проблемы. Адаптивные кабель-эквалайзерные чипы, подстраивающие сигнал в зависимости от его параметров, будут интегрироваться в панель DVI-приемников (уже поставляются некоторыми производителями). В зависимости от частоты синхронизации и качества кабеля они смогут передавать DVI-сигнал на расстояние 30–50 метров, что более чем достаточно для большинства домашних театральных инсталляций. Эти чипы должны существенно снизить затраты потребителя. Возможно, они будут изначально встраиваться в перспективные модели AV-аппаратуры.
   Сможет ли HDMI преодолеть нынешние ограничения DVI и разрешить проблемы совместимости? Станет ли HDMI основным цифровым интерфейсом для соединения домашних AV-устройств? По нашему мнению, факт столь широкого признания нового протокола крупнейшими производителями AV-электроники и аудиовизуального контента позволяет надеяться на вполне радужные перспективы.