Войти

3D-видео и мониторы

DVI2USB — устройство для захвата DVI и VGA сигнала от Epiphan Systems Inc.

Если это возможно, это уже сделано;
если это невозможно, это будет сделано.
Шарль Александр Колонн

То, что область применения интерфейса VGA (Video Graphics Array), разработанного компанией IBM ещё в 1987 году, не ограничивается только персональными компьютерами, вряд ли является секретом для наших читателей. Многие устройства, используемые в самых разных сферах, — от медицинских и научных до оборонных, имеют хорошо знакомый практически любому человеку, хоть раз подключавшему монитор, разъем. Напомним, что после формирования изображения в цифровом виде оно поступает из видеопамяти на RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter — цифро-аналоговый преобразователь из ОЗУ), где преобразуется в аналоговый сигнал, передаваемый на монитор. Изначально стандарт VGA использовал новый для того времени трехрядный 15-контактный разъем D-Sub для подключения монитора, в котором были зарезервированы контакты для будущих расширений. Форма разъёма стала стандартом де-факто более чем на два десятилетия. В настоящее время максимальными параметрами при использовании этого типа подключения являются разрешение 2048×1536 и глубина цвета 32 бита.

Как известно, прогресс не стоит на месте, и 2 апреля 1999 года группа компаний Digital Display Working Group Promoters, включающая в себя Intel, IBM, NEC, Hewlett-Packard, Compaq и Silicon Image, опубликовала спецификацию Digital Visual Interface Revision 1.0. Основной задачей группы было создание полностью цифрового стандарта передачи данных между компьютером и устройством вывода изображения. Спецификации Digital Video Interface, сокращённого до привычного нам DVI, описывают стандарт высокоскоростной передачи графической информации, не зависящей от способа её вывода. В основу была положена технология Передачи дифференциальным сигналом в коде с минимизированным количеством переходов (Transition Minimized Differential Signaling, TMDS). Подробное описание стандарта выходит за рамки этого материала, к тому же, информация широко доступна, отметим лишь несколько моментов. Основным преимуществом DVI является передача информации без потерь, но большой парк дисплеев, рассчитанных только на аналоговое подключение, требовал обратной совместимости. Для этой цели был разработан разъём DVI-I (Integrated), в отличие от цифрового DVI-D (Digital) и практически не встречающегося сейчас аналогового DVI-A (Analog), предусматривающий возможность как цифрового, так и аналогового подключения. Кроме того, поддерживаются спецификации EDID (Extended Display Identification Data)/DDC2B (Display Data Channel), предоставляющие получение информации о типе дисплея и DMPM (Digital Monitor Power Management)/ DPMS (Display Power Management Signaling), позволяющие управлять питанием.

Канадская компания Epiphan Systems Inc. специализируется на решениях, предназначенных для работы с входящим VGA/DVI сигналом. Составить представление об основной целевой аудитории этого производителя можно по таким клиентам как Boieng, Walt Disney, Bayer HealthCare и другие, не говоря о вездесущих Microsoft, Intel и Google. Желающие могут ознакомиться с представленным на сайте производителя Top 25 Customers.

Наше первое знакомство с продукцией этого производителя началось с тестирования устройства VGA2USB, предназначенного для захвата VGA сигнала. Теперь нас ожидает встреча с более универсальной моделью.

Комплект поставки

Устройство поставляется в строгой белой коробке с фотографией виновника торжества на одной стороне и перечислением основных спецификаций — на другой.

В комплект поставки входят:

Само устройство
Блок питания 5 В, 2 А
Кабель DVI — DVI
Кабель VGA — VGA
Кабель USB 2.0 A — Mini-B
Переходник D-Sub Male — DVI Female
VGA-разветвитель на два монитора
CD с драйверами и программным обеспечением

Конструкция и спецификации

По сравнению с неброским VGA2USB старший брат выглядит роскошно. Чёрно-красная цветовая гамма придаёт определённый шарм обычному параллелепипеду с DVI разъёмом, с одной стороны, и гнездом для подключения USB-кабеля — с другой. Упрекнуть можно разве что за слабую устойчивость металлического корпуса к отпечаткам пальцев. Рядом с интерфейсным разъёмом находятся три светодиодных индикатора разных (жёлтый — работа с устройством, красный — питание, зелёный — готовность). Компактным DVI2USB назвать трудно, его размеры составляют 126×81×30 мм против 80×54×23 мм у VGA2USB. Не способствует компактности и необходимость внешнего питания. Впрочем, такая жертва увеличившейся функциональности вполне простительна.

Причиной увеличения габаритов стало большее количество элементов на плате.

Сердцем устройства является программируемая логическая интегральная схема (Field Programmable Gate Array, FPGA) Spartan-3 от Xilinx, Inc. Отличие ПЛИС от обычных цифровых микросхем в том, что логика их работы не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования. FPGA этой серии характеризуются высокой гибкостью структуры и изобилием триггеров на кристалле. При этом логика реализуется при помощи так называемых LUT — таблиц (Look Up Table) Xilinx, а внутренние соединения — посредством разветвлённой иерархии металлических линий, коммутируемых специальными быстродействующими транзисторами.

Основными особенностями семейства являются:

Технологический процесс 90 нм SRAM КМОП
Ёмкость до 74 880 логических ячеек;
Системная тактовая частота до 326 МГц
3 раздельных напряжения питания:
- ядра — 1,2 В
- блоков ввода-вывода — от 1,2 до 3,3 В
- специальных функций — 2,5 В
Технология SelectIO:
- поддержка 17 сигнальных стандартов ввода-вывода
- 6 дифференциальных стандартов передачи сигналов, включая LVDS
- передача данных со скоростью 622 Мбит/с по одному выводу входа/выхода
- до 784 выводов входа/выхода
- размах сигнала от 1,14 до 3,45 В
- программируемый импеданс
- поддержка передачи данных с удвоенной скоростью (DDR)
Логические ресурсы:
- гибкие логические ячейки с регистрами
- мультиплексоры для реализации многовходовой функции
- логика ускоренного переноса
- встроенные блоки умножения, каждый блок 18x18 бит
- совместимость с JTAG IEEE 1149/1532 стандартами
Технология SelectRAM:
- до 1 872 кбит блочной памяти
- до 520 кбит общей распределённой памяти
Модули управления синхронизацией (DCM):
- точная подстройка фронтов тактирующих сигналов
- умножение, деление частоты
- сдвиг фазы с высоким разрешением
- защита от электромагнитных помех
Полная поддержка в САПР ISE, начиная с версии 6.1i

Модификация XC3S4000, используемая в DVI2USB, имеет 62 208 логических ячеек, 4 млн. системных вентилей и 1728 кбит блочной памяти.

Кроме того, на плате находится перепрограммируемая микросхема с архитектурой Complex Programmable Logic Devices (CPLD) Xilinx FastFlash XC9572XL, рассчитанная на 10 000 циклов перепрограммирования и 20 лет хранения конфигурации. Для программирования таких микросхем не требуется программатор, оно осуществляется сигналами через специальные выводы МС (JTAG) непосредственно в устройстве.

Работа с видеоинтерфейсами осуществляется при помощи 8-битного AD9887A с производительностью 170 MSPS (Mega Samples Per Second) от Analog Devices, Inc. AD9887A предназначен для работы с VGA и DVI, причём в цифровом режиме поддерживается защита цифрового контента HDCP (High Bandwidth Digital Content Protection). Отметим, что при наличии у пользователя ключей для расшифровки сигнала проблем с HDCP при использовании DVI2USB возникнуть не должно.

Поддержка USB-интерфейса возложена на контроллер CY7C68013 производства Cypress Semiconductor Corporation.

Распаянные, но не выведенные на переднюю панель, разъёмы для подключения клавиатуры и мыши, оставлены для будущей модификации, аналогичной KVM2USB, выполненной на базе VGA2USB.

Для DVI2USB производителем заявлены следующие спецификации:

Интерфейс USB 2.0 (контроллер поддерживает USB 1.x, но работа в таких условиях не рекомендуется производителем из-за низкой пропускной способности)
Поддерживаемые операционные системы — Windows 2000/XP/Vista (x86), Linux, PowerPC/Intel MacOS X
Поддерживаемые форматы:
- 24 бит, формат 8:8:8
- 16 бит, формат 5:6:5
- 8 бит, форматы 3:3:2, 3:2:3, 2:3:3 и 256 оттенков серого
- 4 бита, 16 оттенков серого
Поддерживаемые видеорежимы:
- 720×400 при 70, 85 Гц
- 640×480 при 60, 70, 72, 75, 85 Гц
- 800×600 при 56, 60, 70, 72, 75, 85 Гц
- 1024×768 при 60, 70, 72, 75, 85 Гц
- 1152×864 при 60, 70, 75, 85 Гц
- 1152×900 при 66, 76 Гц
- 1280×960 при 60, 85 Гц
- 1280×1024 при 60, 70, 75, 85 Гц
- 1600×1200 при 60, 65, 70, 75, 85 Гц

Можно заметить, что максимальное разрешение уступает VGA2USB с 2048×1536 и 2560×2048. Но это с лихвой компенсируется отсутствием артефактов интерлейсинга, характерных для младшей модели. DVI2USB захватывает прогрессивное видео (!), чему способствуют 3 модуля памяти ёмкостью по 2,25 МБ от GSI Technology

Производитель приводит примеры частоты обновления в зависимости от используемого разрешения, полученные под Windows XP на Intel P4 3.0 ГГц FSB 800:

640×480 — 29.9 кадров в секунду
800×600 — 21 кадр в секунду
1024×768 — 15 кадров в секунду
1280×1024 — 10 кадров в секунду
1600x1200 — 6.7 кадра в секунду

Конфигурация тестового компьютера

Процессор Athlon 64 4600+ (Socket 939)
Системная плата ASUS A8R32-MVP Deluxe (ATI CrossFire Xpress 3200)
Оперативная память 2 ГБ (2×1024 МБ PC3200 Samsung)
Видеокарты HIS ATI RADEON X1900XT/NVIDIA GeForce 7900GTX
Звуковая карта Creative Sound Blaster Audigy 2ZS
Жесткий диск 250 ГБ Hitachi (HDT722525DLA380)
Жесткий диск 120 ГБ Maxtor Plus9-6Y120M0 7200rpm SATA150 8 МБ
Жесткий диск 120 ГБ Maxtor Plus9-6Y120M0 7200rpm SATA150 8 МБ
DVD ReWriter BENQ DW1640
DVD ReWriter NEC ND-3500A
Блок питания Thermaltake Purepower 680APD (W0049 rev. 2, 680 W)
Операционная система Windows XP Professional (SP2) ENG

Настройка

Html-меню установочного диска напоминает о возможности появления более свежих драйверов на сайте производителя. Сам драйвер устанавливается средствами операционной системы либо при установке штатной программы (для этого необходимо отключение/подключение устройства во время установки). Кроме драйвера, на диске находится SDK и руководство пользователя. При тестировании использовался драйвер версии 3.0.16.0020.

После установки в разделе Imaging Devices появляется VGA2USB by Epiphan Systems Inc.

Для работы с устройством предназначена программа v2ugui.exe, ярлык которой выводится на рабочий стол после установки.

Программа позволяет осуществлять автоматический захват отдельных кадров и запись видеопотока. В разделе Autosave опций программы можно настроить интервалы захвата, как покадрово, так и по времени, выбрать формат (BMP, PNG, JPEG (компрессия составляет 85%), AVI) и установить префиксы названий получаемых файлов. При этом допускается как десятичная система (переменная d в наименовании), так и шестнадцатеричная (переменная X). Возможно преобразование полученных в формате BMP изображений в AVI, выполняемое программой после окончания захвата. Кроме того, имеется функция паузы.

Видеопоток может сжиматься любым установленным в системе кодеком, выбираемым на соответствующей вкладке Codec.

В разделе Adjusments находятся опции изображения:

Sampling phase — ручная подстройка горизонтального разрешения,
PLL adjusment — ручная подстройка вертикальной синхронизации,
Shift horizontally/Shift vertically — настройки позиции видеоизображения,
Set Offset/Gain — настройки яркости и контраста.
Чекбокс Prefer wide aspect ration VGA modes обеспечивает совместимость с широкоформатными разрешениями. Предупреждаем, что использовать эту опцию надо с осторожностью, в частности, её активация во время тестирования приводила к установке разрешения 1920×1200 вместо 1600×1200.

В разделе Miscellaneous доступны центрирование изображения под размер окна программы, инвертирование цветов при печати и настройки компрессии при вещании в сеть. В программе доступен демонстрационный режим передачи изображения на сайт производителя с ограничением по времени в 5 минут (требует установленного Java-компонента).

Работа с DVI сигналом

На примерах тестового изображения в разных разрешениях можно заметить явное положительное влияние цифрового интерфейса.

	Исходное изображения	Полученное изображение
Разрешение 640×480
Разрешение 800×600
Разрешение 1024×768
Разрешение 1600×1200

Снижения чёткости не наблюдается вплоть до максимального поддерживаемого разрешения. Поддержка 24-битного цвета обеспечивает приемлемую цветопередачу, а захват прогрессивного видео — возможность записи видеофайлов. С поправкой на то, что динамичные фрагменты, всё-таки, лучше записывать в низких разрешениях.

Примеры реального изображения.

Разрешение 640×480

Разрешение 800×600

Разрешение 1024×768

Разрешение 1280×1024

Разрешение 1600×1200

RAR-архив видеофрагмента продолжительностью 10 секунд, снятый в разрешении 640×480, можно скачать здесь (2,1 МБ).

Видеоролик динамичного фрагмента продолжительностью 10 секунд (35,1 МБ) можно скачать, нажав на картинку.

Работа с VGA сигналом

При первом подключении к любой из тестовых видеокарт (как оказалось впоследствии, та же участь постигла видеокарты предыдущих поколений, имеющих только DVI-I разъёмы) нас ожидал неприятный сюрприз — отсутствие сигнала в программе. Причиной стало определение видеокартой устройства как цифрового дисплея, несмотря на подключение VGA-кабелем через переходники. Но нет худа без добра, представилась хорошая возможность пообщаться со службой поддержки производителя. Стоит отметить оперативность работы сотрудников компании, буквально в течение двух суток была найдена причина и выслана исправленная структура EDID для работы в аналоговом режиме. Полная программируемость логики позволила реализовать в штатном ПО прозрачную для пользователя замену EDID, что в данном случае оказалось очень полезной возможностью.

В аналоговом режиме яркость оказалась недостаточной, пришлось воспользоваться настройками штатной программы.

	Исходное изображения	Полученное изображение
Разрешение 640×480
Разрешение 800×600
Разрешение 1024×768
Разрешение 1600×1200

Примеры реального изображения.