Вся правда о масштабаторах (скейлерах, скалерах или процессорах) сигналов.

В любом более или менее сложном проекте, включающем современную аудио- и видеоаппаратуру не обойтись без коммутационного оборудования. Оно позволяет создавать разные варианты соединения источников и получателей аудио и видео информации, легко управлять ими, создавать новыеинтересные аудиовизуальные эффекты. Для решения этих задач относительно недавно был создан новый класс устройств, называемых масштабаторамиили скейлерами или скалерами, удвоителями, учетверителями строк иногда их ошибочно называют видеопроцессорами или просто процессоры видео сигнала.

Назначение и функции масштабаторов

В связи с тем, что техника записи и воспроизведения изображения развивалась в нескольких направлениях, и работы в области видео вело множествофирм, расположенных в разных странах, на сегодняшний день существуетдовольно много стандартов передачи видеосигнала, конкурирующих междусобой. К ним относятся классические телевизионные системы PAL/SECAM/NTSC, созданные еще в 50-60-х годах ХХ века (с чересстрочной разверткой, которые отличаются как по разрешению изображения, так и по принципу коди-рования цветовой информации и видеосигналы от компьютеров, спутниковыхресиверов, проигрывателей DVD, которые могут иметь значительно большиеразрешения, формат с прогрессивной развёрткой. 
Для передачи видеосигнала от источника к устройству отображения (телевизору, монитору, проектору и т.д.) используются различные физические интер-фейсы:• Простейший, композитный выход работает всего с одной линией связи, покоторой передаётся вся информация о синхронизации, яркости и цвете.• Выход S-video (другие названия YC, S-VHS) даёт улучшенное качество (посравнению с композитным) за счёт передачи информации о цвете по дру-гой линии связи.1 Скейлер – от англ. Scaler, масштабатор2 Чересстрочная развертка (англ. INTERLACING) — система развертки изображения, разработанная для телеви-дения с целью размещения большего числа каналов в вещательном диапазоне. В ней за счет разложения каждоговидеокадра на два чередующихся поля ширина полосы частот передаваемого сигнала уменьшается вдвое. В одном из полей передаются четные строки кадра, в другом нечетные.3 Прогрессивная развертка (англ. PROGRESSIVE SCAN) — способ развертки изображения, в котором в отличиеот чересстрочной развертки все строки кадра передаются в одном, а не в двух полях. Позволяет снизить дрожа-ние изображения.
• Композитный видеовыход (YUV, Y Pb Pr) за счёт передачи цветоразностныхсигналов по отдельным линиям связи обеспечивает очень высокое качествопередачи. В отличие от композитного, такой интерфейс может передаватьсигналы с разным разрешением и с прогрессивной развёрткой.• Видеовыход RGB – это также ком-понентный интерфейс, его разно-видность VGA (XGA и т.д., другоеназвание – RGBHV) используетсяв современных компьютерах длявывода изображения на монитор.Способность поддерживать мно-жество разных разрешений экранаи частот развёртки, прогрессивнуюразвёртку, полное отделение сиг-налов синхронизации от сигналовяркости/цвета делает его самымкачественным и универсальным изаналоговых интерфейсов.• Цифровой интерфейс DVI-D позво-ляет передавать изображение вовсе без потерь и ухудшения качества и ис-пользуется в видеокартах большинства современных компьютеров, а такжев некоторых DVD-проигрывателях и других устройствах. Задача масштабатора – получив на входе сигнал любого из вышеуказанныхформатов, максимально качественно преобразовать его к единому виду – выходному сигналу VGA (RGBHV) заданного разрешения. Этот тип выхода мас-штабатора был выбран именно потому, что он обеспечивает максимальноекачество передачи сигнала и максимальную универсальность. К тому же боль-шинство современных проекторов, плазменных панелей и т.д. оборудованытаким входом. Кроме того зачастую масштабаторы могут формировать сигналYUV (YPbPr) формата HDTV (телевидения высокой четкости) или цифровогоформата DVI либо HDMI (номенклатура дисплеев с такими входами постоянно увеличивается).Если выход масштабатора настроен на «естественное» разрешение проектораили панели, изображение на экране получается максимально качественным –поскольку этому устройству уже не нужно преобразовывать, масштабироватькартинку под свою матрицу. Эту работу уже выполнил за него масштабатор.Построение типовой видеосистемы, состоящей из множества источников самых разных видеосигналов (видеомагнитофона, DVD-проигрывателя, спутникового или кабельного ресивера, компьютера и т.д.) резко упрощается – всесигналы просто заводятся на масштабатор, который заодно выполняет и ролькоммутатора входов.Больше не надо заботиться о том, что картинки от разных источников будутвыглядеть по-разному, не надо ломать голову над тем, как использовать мак-симально качественный выход от DVD-проигрывателя, если нужного входанет у вашего проектора. К тому же фирменные алгоритмы масштабированияобеспечивают эффективный деинтерлейсинг (преобразование из чересстроч-Задача масштабато-ра – получив на входесигнал любого фор-мата, максимальнокачественно преоб-разовать его к едино-му виду – выходномусигналу VGA, YUV илиDVI/HDMI заданногоразрешения.
ной развертки обычного телевидения в прогрессивную, используемую в сов-ременных устройствах отображения) без характерных для этого процесса артефактов («расчёска»), а строчная структура исходного материала становитсяпрактически незаметной. В результате вы получаете изображение, по субъ-ективному качеству зачастую превосходящееисходное, поступающее от источника сигнала,и оптимально подстроенное под вашу панельили проектор (включая, при необходимости, ипреобразование формата экрана в формат 4:3или 16:9).Вообще-то современные средства отображе-ния информации способны и сами выполнятьсинхронную коммутацию источников по видеои звуку и делать стандартные настройки изоб-ражения и звука. Не стоит, однако, забывать,что качество реализации сложных алгорит-мов обработки сигнала во встроенных виде-опроцессорах телевизоров и проекторов, какправило, ниже, чем в специализированныхприборах студийного уровня качества.Первые образцы масштабаторов, имевшихся на рынке, стоили чрезвычайнодорого, и были по карману только фирмам, профессионально занимающим-ся созданием и обработкой мультимедийной информации. Новое поколениемасштабаторов отличается гораздо лучшим соотношением цены и качества.Приборы профессионального уровня теперь при цене от 1200 до 2500$ могутприобретаться и для мини-студий, идля домашнего использования. Такогопредложения раньше на рынке простоне было. Новые поколения масштаба-торов будут развиваться, в основном,в сторону увеличения функциональ-ности и улучшения алгоритмов обра-боткиНекоторые модели масштабаторовспециально оптимизируются под до-машнее использование. В первую оче-редь это касается их внешнего вида иудобства управления. Для них харак-терны изящные линии корпуса и передней панели, а также эргономическиеорганы управления и меню. Лаконичный и строгий вид предыдущих професси-ональных моделей масштабаторов, вполне уместный в студиях и профессио-нальных презентационных установках, не годится для уютной квартиры.Одним из главных преимуществ масштабаторов служит удобство работы содним устройством, в котором сосредоточены не только переключатели илиэлектронные ключи, но и все узлы, ответственные за преобразования и на-стройки. Подключив к скейлеру-интегратору персональный компьютер или ин-Масштабатор можетстать прекрасной за-меной электроннойначинки недорогогопроектора или пане-ли, выведя качествоих изображения нановый уровень (со-ответствующий кудаболее дорогим моде-лям).Построение видео-системы, состоящейиз множества источ-ников самых разныхвидеосигналов рез-ко упрощается – всесигналы просто за-водятся на масшта-батор.
тегрировав его в систему «Умного дома», можно получить гибкую интеллек-туальную систему домашнего кинотеатра, презентационного оборудования ипр. Программное обеспечение современных масштабаторов, записанное вПЗУ прибора, легко интегрируется с любым программным обеспечением для«Умного дома», и есть возможность обновления прошивки.В ассортименте выпускаемых изделий любого производителя внешний скей-лер или видеопроцессор всегда служит демонстрацией возможностей компа-нии. В нём обычно используют все самые новейшие разработки.Масштабаторы прошли длинный путь технического развития – от элементар-ных «удвоителей» и «учетверителей» развёртки, механически повышавшихразрешение экрана практически без обработки, до современных устройств,позволяющих произвольно пересчитывать любые входные сигналы до задан-ного разрешения и соотношения сторон экрана с использованием изощрён-ных алгоритмов деинтерлейсинга, интерполяции, сглаживания и фильтрации.Как работает масштабаторСамой сложной и ответственной операцией является преобразование масштаба изображения – то есть получение картинки с иным разрешением, видеостандартом и, возможно, соотношением сторон, чем в исходной.Вначале сигнал (см. рис. 1), поступающий на один из вхо-дов масштабатора, преобразуется в формат RGB (деко-дирование), что позволяетпри последующей обработкедобиться минимальных по-терь качества изображения. Рисунок 1. Многие устаревшие источники видеосигнала выдают картинку с чересстроч-ной развёрткой, в которой за счет разложения каждого видеокадра на два чередующихся поля ширина полосы частот передаваемого сигнала уменьшаетсявдвое. В одном из полей передаются четные строки кадра, в другом нечетные.Чересстрочной развёртке присущисерьезные недостатки, в первую оче-редь – артефакты изображения, почтисводящие на нет её преимущества. Впервую очередь это дрожание тонких горизонтальных линий на экране. КогРазделение информационных составляющих входногосигнала. Преобразование входного сигнала в формат RGB.
да такая линия попадает, скажем, только на чётную строку, а в нечётной от-сутствует – линия на картинке мигает с частотой 25 Гц, что хорошо заметно исильно раздражает зрителя. Современные панельные устройства вывода наоснове жидких кристаллов, плазмы, микрозеркал и даже 100-Гц телевизорына обычных ЭЛТ очень чувствительны к чересстрочной картинке. На экраневозникает неприятный эффект «размазывания» движущихся объектов, в оби-ходе называемый «расчёской» – чётные и нечётные строки разъезжаются,образуя характерные зазубрины на краях объекта. Такую картинку необходимо преобразовать в прогрессивную развертку (процесс деинтерлейсинга), у которой всестроки кадра передаются в одном, а нев двух полях. Прогрессивная развертка, во-первых, обеспечивает болеевысокое качество изображения, а, во-вторых, с ней легче работать. Преобразование развертки выполняется вособом блоке масштабатора, которыйназывается блоком деинтерлейсинга. Оконечный модуль масштабатора преобразует масштаб развёртки изобра-жения и выдачу его на выход устройства. Выход можно настроить на любойнужный режим – от 640х480 до 1600х1200 при заданной кадровой частоте (масштабирование). Рассмотрим работу основных блоков масштабатора подробнее. Видеосигнал представляет собой сложную смесь различных информационныхсоставляющих, поэтому на первом этапе все составляющие сигнала необходимо сначала разделить. Например, из композитного сигнала, в котором «смешаны» вместе инфор-мация о синхронизации, яркости и цвете, масштабатор получает отдельныесигналы о яркости в каждом из основных цветовыхканалов – R (красном),G (зелёном) и B (синем), атакже информация о синх-ронизации (H, V).Затем сигналы RGB пе-реводятся в цифровуюформу с помощью аналого-цифрового преобразователя. Дальнейшая об-работка сигнала идет «вцифре». Сигналы со входа DVI-D такого преобразова-ния не требуют, посколькуизначально являются циф-ровыми (см. рис. 2).Деинтерлейсинг –преобразование сигнала из чересстрочной развертки впрогрессивную.Рисунок 2.
Следующим этапом яв-ляется собственно деинтерлейсинг (т.е. преобра-зование типа развертки— из чересстрочной впрогрессивную). При этомизображение в памятимасштабатора подвергается дополнительной обработке – цветокоррекции, гамма-коррек-ции; шумы на картинкеотфильтровываются, яр-кость и контрастностьприводятся к нужномууровню (см. рис. 3).После получения в буферной памяти полноценного кадра изображения остаётся вывести этот кадр на внешнее устройствоотображения с заданными параметрами разрешения. Для этого изображениеиз буферной памяти интерполируется (если разрешение повышается) или ус-редняется (если оно снижается). Для уменьшения «зазубрин» и «ступенек» нанаклонных линиях используются специальные алгоритмы. Алгоритмы и параметры этихпреобразований подобра-ны так, чтобы максимальноуменьшить нежелательныеэффекты – при повышенииразрешения можно сделатьисходную строчную структуру картинки менее заметной, а при понижении разре-шения – по возможности непотерять чёткость передачимелких деталей (см. рис. 4).В результате описанныхпроцессов изображение отлюбых источников, будь токлассические видеосигналыили компьютерная графика,окажется приведённым к еди-ному стандарту и уже в видемаксимально качественногосигнала RGBHV, по единственному кабелю будут переданы на проектор илипанель (см. рис. 5).
Рисунок 5.

Что еще может масштабатор

масштабатор становится центральным элементом видеосистемы, отвечающим за её функционирование как единого комплекса, объединяющим и«примиряющим» между собой все её элементы. Типичный масштабатор, кроме собственно преобразованияразрешения и частот сигнала и коммутации входов, зачастую оснащен вну-шительным списком дополнительныхвозможностей.
 Одновременная с видео коммута-ция соответствующих звуковых сиг-налов
 Плавные, с промежуточным затем-нением или даже спецэффектамипереключения между входами
 Стоп-кадр, вывод черного экранаили заставки
 Функция «картинка в картинке» дляразных входов прибора (см. рис. 6)
 Настройки изображения (цвет, гамма, яркость, резкость и др.) отдельно для каждого входа
 Устранение трапецеидальных искажений (для проекторов). Эта функциялучше работает в самом масштабаторе (на этапе предварительной обработки), чем уже в проекторе.
 Экранная лупа («зум»), инфракрасный пульт, экранное меню, разъем дистанционного управления, цифровой выход DVI/HDMI (в дополнение к VGA) — идругие приятные «вкусности». Цветокоррекция, гам-ма-коррекция; филь-трация шумов, приведение яркости иконтрастности к нужному уровню.Вывод изображенияна внешнее устройс-тво отображенияс заданными пара-метрами разреше-ния. Специально разработанные для домашних кинотеатров, имеющие привлекательный внешний вид и богатые технические возможности, современные масштабаторы способны стать настоящим сердцем вашей видеосистемы. Любой из многочисленных источников видеоизображения (спутниковый или кабельныйресивер, видеомагнитофон, DVD-проигрыватель, компьютер, видеокамера,видеоигры) будет подключён в систему, его сигнал будет обработан и приведёнк максимально возможному качеству, которое способно обеспечить ваше уст-ройство отображения (панель, проектор, широкоформатный телевизор).