המדריך לחיבורי וידיאו

מה זה אות אנאלוגי, אות דיגיטלי? מה ההבדל בינהם? למה כבל דיגיטלי יקר יותר מכבל אנאלוגי? האם מדובר בגימיק שיווקי ...

13:00
  /  
31.12.2006
  
כתב: unsound_methods, ערכו: דרור אנגל, עפר לאור
מה הם אותות קומפוזיט, S-Video, קומפוננט, RGB, ומה ההבדלים ביניהם?
מה ההבדל בינם לבין אותות דיגיטאליים?

ושאלת השאלות: אילו חיבורים יניבו התמונה האיכותית ביותר?

הקדמה – צבע בוידיאו דיגיטאלי

על מנת להבין מהם מאפייניהם של אותו הוידאו השונים, יש להקדים ולהסביר כיצד מיוצג צבע בתכני וידאו דיגיטאליים. כשלעצמו, מדע הצבע ואופן קידודו בוידאו דיגיטאלי הוא תחום רחב ומורכב, מעבר למה שניתן לכתוב בקצרה במאמר זה. עם זאת, ננסה בכל זאת לתאר, על רגל אחת, את התהליכים המעורבים בקידוד הצבע.
האופן שבו נשמר צבע בתוכן הוידאו הדיגיטאלי הקיים כיום (DVD, שידורי טלויזיה דיגיטאלית, קבצי DivX, תוכן HD וכו´) הוא ייצוג צבע הקרוי קומפוננט דיגיטאלי.

אם נעמיד דברים על דיוקם, יש לציין שבכל סוגי התכנים הללו, הקומפוננט הדיגיטאלי עובר אזשהי סוג של דחיסה (כדוגמת MPEG). אבל, דחיסה זו אינה רלוונטית בדיון זה; אם נשים אותה רגע בצד, נגלה כי הצבע השמור לכל פיקסל מוגדר באמצעות קומפוננט דיגיטאלי.

אז מהו אותו קומפוננט דיגיטאלי? לשם כך נסקור בקצרה את תהליך קידוד הצבע.
נצא מתוך נקודת הנחה, שעל מנת לתאר צבע נדרשת שלשת מספרים המתארים את הכמות היחסית של רכיבי אדום, ירוק וכחול, אשר אם "נחבר" אותם יחדיו נקבל את הצבע המדובר. ההגדרה מהם ומה המאפיינים המדויקים של כל אחד מאותם שלושת צבעי היסוד (מה שנקרא "מערכת הצבע" או primary chromaticity) קבועה בתקן השידור (וישנם כמה תקנים שונים), והיא מעבר לדיון במאמר זה.

למען הנוחות, נתאר את התחום הלגיטימי לערכי RGB בין 0 ל-1.
לדוגמא, השלשה <0,0,0> מתארת שחור. השלשה <1,0,0> מתארת אדום. השלשה <1,1,0> מתארת צהוב (אדום וירוק יחדיו). השלשה <1,1,1> מתארת לבן.

להלן התהליכים המעורבים בקידוד הצבע בוידאו דיגיטאלי:

1. מעבירים כל אחד מרכיבי ה RGB דרך פונקציה לא לינארית (בקרוב, זוהי פונקציה הדומה לשורש שני) כדי לבצע "תיקון גאמה". במאמר זה לא נרחיב את הסיבה מדוע מבצעים תיקון זה ומדוע הוא חשוב. את השלישייה מתוקנת הגאמה נסמן ´R´G´B.

2. כעת, שלישיית ה ´R´G´B עוברת התמרה לינארית שתוצאתה שלישיית קומפוננט המסומנת Y´CbCr. זהו ייצוג אחר של הצבע: במקום "עוצמה" לכל רכיב (אדום, ירוק, כחול), ייצוג זה מתאר את ה"בהירות" (המסומנת ´Y ונקראת Luma) וזוג "הפרשי צבע" (המסומנים Cb ו- Cr ונקראים Chroma).

בתאור לא מדויק ולא מחייב, ניתן לומר כי ה Luma היא "ממוצע" של עוצמות ה R ה G וה- B, ואילו Cb הוא "הפרש הרכיב הכחול מהממוצע" וכן Cr הוא "הפרש הרכיב האדום מהממוצע".
לדוגמא, הנוסחאות הממירות מ ´R´G´B לקומפוננט עבור SDTV היא:
Y´ = 0.299R´ + 0.587G´ + 0.114B´
Pb = -0.169R´ -0.331G´ + 0.5B´
Pr = 0.5R´ -0.419G´ -0.081B´

(עבור HDTV המקדמים בנוסחאות אלה שונים במקצת).
חשוב לציין כי ההמרה הזו איננה דחיסה. זו המרה מתמטית המופעלת על כל פיקסל, ומעבירה שלשת מספרים אחת (במרחב ´R´G´B) לשלשת מספרים אחרת (במרחב Y´CbCr).

הסיבות להמרה רבות, והן מעבר לדיון במאמר זה. על רגל אחת אציין החשובות שבהן: קירבה למודל הראיה האנושי, היכולת לבצע דחיסה של אינפורמציה בייצוג זה ביתר קלות, זהו ייצוג נוח עבור אלגוריתמי עיבוד תמונה / וידאו ועוד.
לבסוף, לאחר קידוד הצבע, פריימים של תמונה, בייצוג קומפוננט דיגיטאלי, עוברים אל תהליך הדחיסה.

שרשרת המזון – מהתוכן הדיגיטאלי ועד המסך

כאשר אתם צופים בתוכן בפורמט וידאו דיגיטאלי כלשהו, מתרחשים למעשה השלבים הבאים (ממש על קצה המזלג):
תחילה, פריסה (ההפך מדחיסה) שתוצאתה פריימים של תמונה בייצוג קומפוננט דיגיטאלי Y´CbCr.
1. לכל פריים, הפיקסלים שבו מומרים מ Y´CbCr חזרה לשלישית ´R´G´B מתוקנת גאמה (ע"י הנוסחאות ההפוכות לאלה שתוארו לעיל).

 
2. במסכי CRT, ערכי ה ´R´G´B מתוקני הגאמה (האנאלוגיים) מוזנים לתותח האלקטרונים כדי לשחזר את הצבע על המסך (במסכים דיגיטאליים, ערכים אלה עוברים קודם דרך פונקציית גאמה המדמה את המאפיינים של ה CRT – שתוצאתה עוצמות ה RGB המקוריות – ואז "עוצמות" אלו מוזנות אל הפיקסלים במסך).

הדבר המעניין בתהליך זה, שבמציאות הוא מתבצע על ידי שני מכשירים שונים (לפחות): זה ש"מנגן" ("קורא" או "מפענח") את תוכן המקור (מכשיר DVD, ממיר וכו´), וזה המציג את התוכן (המסך).
כלומר, יש צורך לקשר בין המכשירים – וכאן מתחיל הדיון על סוגי אותות הוידאו השונים.

אותות וידאו אנאלוגיים

1. קומפוננט אנאלוגי Y´PbPr
אות זה מכיל למעשה את הגרסה האנאלוגית לערכי ה Y´CbCr הדיגיטאליים אשר שמורים במקור.
במקרה זה, המכשיר ה"מנגן" (DVD, ממיר וכו´) פשוט מבצע המרת D/A (דגימות ה Y´CbCr המקוריות עוברות המרה לאות אנאלוגי).
אות ה Y´PbPr האנאלוגי נישא על גבי שלושה ערוצים (שלושה חוטים).
במקרה זה, המסך הוא זה שאחראי על ההמרה מקומפוננט (האות שנכנס למסך) לערכי ´R´G´B.

2. קומפוזיט
מטרת אות זה היא להעביר את כל רכיבי הקומפוננט (Luma ושני רכיבי Chroma) על גבי ערוץ אחד.
כדי להשיג מטרה זו, מאפננים את רכיבי ה Chroma באמצעות טכניקה הנקראת quadrature modulation על גבי תדר נשא, ומוסיפים אות מאופנן זה על גבי אות ה Luma.
לצורך כך, גם רכיב ה Luma וגם רכיבי ה Chroma עוברים תהליך פילטור – שמטרתו צימצום ה bandwidth של כל אחד מהאותות (על מנת שלא "יתנגשו"). כתוצאה מכך, ישנו אובדן של חדות ופירוט בתמונה. בנוסף, מידע מערוץ ה Chroma המאופנן זולג במקצת לתחום התדרים של אות ה Luma ולהפך – כלומר לעיתים יווצרו ארטיפקטים ו"רעשים" בתמונה. לסיכום – טכניקה זו מאבדת אינפורמציה (ואף מכניסה רעש) לרכיבי הקומפוננט המקוריים.
המכשיר ה"מנגן" אחראי על ביצוע האפנון הנ"ל. למסך יש decoder האמור לבצע תהליך הפוך ולחלץ חזרה את רכיבי הכרומה והלומה.

לאחר מכן, המסך ימיר את רכיבי הלומה והכרומה ל ´R´G´B.

3. S-video (נקרא גם Y´/C)
באות זה משתמשים בשני ערוצים – אחד להעברת אות ה Luma ואחר להעברת ה Chroma.
זהו מעין אות "ביניים" – משהו בין קומפוננט לקומפוזיט. גם במקרה זה, רכיבי ה chroma עוברים מודולציה (ולכן סובלים מפילטור להקטנת ה bandwidth) – אבל אות ה chroma המאופנן נישא על גבי ערוץ נפרד (ולא מתווסף לאות ה Luma, כפי שמתרחש בקומפוזיט).
כתוצאה, לאות ה s-video חדות תמונה ופירוט טובים מאשר באות הקומפוזיט. כמו כן, אות זה לא סובל מארטיפקטים ו"רעשים" בתמונה. עדיין, איכותו נמוכה במקצת מקומפוננט, בשל פילטור ערוצי ה chroma.
המכשיר ה"מנגן" אחראי על ביצוע האפנון הנ"ל. המסך יבצע תהליך הפוך על מנת לחלץ חזרה את שלושת רכיבי הקומפוננט, ולאחר מכן ימיר אותם ל ´R´G´B.

4. אות ´R´G´B
במקרה זה, המכשיר ה"מנגן" (DVD, ממיר וכו´) ממיר בעצמו את ערכי הקומפוננט המקוריים Y´CbCr (השמורים בתוכן הדיגיטאלי) לערכי ´R´G´B (בכל האותות האחרים שראינו עד כה, המרה זו נעשית ע"י המסך).
ערכי ה ´R´G´B מומרים לסיגנל אנאלוגי, ונישאים על גבי שלושה ערוצים.
המסך משתמש ישירות בערכי ה ´R´G´B הללו.
אות זה איכותי באותה מידה כמו אות הקומפוננט האנאלוגי (Y´PbPr).

אבל, ישנו הבדל חשוב בין השימוש באות ´R´G´B אנאלוגי לבין קומפוננט אנאלוגי (Y´PbPr). ב ´R´G´B המכשיר המבצע את ההמרה ל ´R´G´B הוא המכשיר ה"מנגן" (DVD, ממיר וכו´). בקומפוננט אנאלוגי, המסך הוא זה שמבצע את ההמרה.

על מה זה יכול להשפיע?
א. כאמור, נוסחאות ההמרה מ Y´CbCr ל ´R´G´B שונות בין SDTV לבין HDTV. אם משתמשים בנוסחאות ההמרה של SD עבור תוכן HD (או להפך), אזי רפרודוקציית הצבע שגויה (הצבעים אינם "מדויקים"). השאלה הנשאלת היא: על איזה מכשיר אפשר לסמוך שיבצע את ההמרה בצורה הנכונה – על המסך או על המכשיר ה"מנגן"?

ב. במסכים, בקרי ה Color וה Tint משפיעים בצורה מסוימת על המקדמים במשוואות ההמרה מקומפוננט ל ´R´G´B. דבר זה מאפשר לשלוט בהמרה ולכייל אותה כך שתהיה מדויקת ונכונה (או לחילופין, לתת למשתמש לשנות את רפרודוקציית הצבע לפי טעמו האישי). כאשר מזינים אות ´R´G´B למסך, המרה זו איננה קיימת עוד (הרי היא נעשית במכשיר המנגן) ולכן בד"כ לא ניתן לשלוט ברמות ה Color וה Tint. שוב, שיטה זו נסמכת על כך שההמרה הנעשית על ידי המכשיר המנגן היא נכונה ומדוייקת.

סנכרון באותות ´R´G´B אנאלוגיים

אותות אנאלוגיים מתארים מהו ערך התאורה (והצבע) בכל שורה בפריים, כפונקציה של הזמן. ככל שהזמן מתקדם, ערך המתח הנוכחי בסיגנל מתאר את ערך התאורה (והצבע) בפיקסל הבא (שורות נסרקות משמאל לימין). לאחר זמן מה, "נסרקה" כל שורת הפיקסלים, ויש לעבור לשורה הבאה.

סנכרון באותות אנאלוגיים נועד כדי שהמסך "יבין" מתי מסתיימת שורת סריקה, ומתי מתחילה השורה הבאה – כלומר לסנכרן "שעונים" בין האות לבין "המוח" שמפענח אותו.

לדוגמה, בקומפוננט אנאלוגי, אותות הסנכרון נישאים על גבי ערוץ ה Luma.
עבור ´R´G´B אנאלוגי, קיימים סוגים שונים של אותות הנבדלים באופן שבו נישא אות הסנכרון.
RGsB – אות בעל שלושה ערוצים. הסנכרון נישא על גבי ערוץ ה G. לא פופולרי במכשור המיובא לארץ.
RGBcvS – אות בעל ארבעה ערוצים: שלושת ערוצי ה ´R´G´B, וערוץ נוסף שמעביר אות קומפוזיט – המסך מחלץ ממנו את אותות הסנכרון. פופולרי מאד בממירים הקיימים בארצנו.
RGBHV – אות בעל חמישה ערוצים: שלושת ערוצי ה ´R´G´B, ושני ערוצי סנכרון: אופקי ואנכי. זהו האות המשמש בחיבור VGA – החיבור האנאלוגי בין כרטיס המסך למסך המחשב.

אותות וידאו דיגיטאליים

באותות אלה אין תהליך המרה לאות אנאלוגי. ערכי הצבע המתאימים לכל פיקסל משודרים בתור bit code על גבי ממשק דיגיטאלי, אחד אחרי השני (פיקסל אחרי פיקסל).
1. קומפוננט דיגיטאלי Y´CbCr
אותם הערכים השמורים בתוכן הדיגיטאלי (לאחר הפריסה) עוברים אחד לאחד אל המסך. לא מתבצעת שום המרה. המסך הוא זה שימיר אותם ל ´R´G´B.

2. ´R´G´B דיגיטאלי
האות הנפוץ ביותר בממשקי וידאו דיגיטאליים. המכשיר המנגן אחראי על המרת ערכי ה Y´CbCr לערכי ´R´G´B דיגיטאליים, ולשדר את קידודם הדיגיטאלי אל המסך.

אותות High Definition

האותות המסוגלים לשאת HD הם: קומפוננט אנאלוגי Y´PbPr, קומפוננט דיגיטאלי Y´CbCr ו- ´R´G´B דיגיטאלי ואנאלוגי.

קומפוזיט ו- s-video אינם נושאים אותות HD (בשל מגבלת רוחב הפס הנובעת מאפנון רכיבי ה chroma).

ממשקים פיזיים

עד כה סקרנו את מגוון האותות הקיימים. אלה יכולים להנשא על גבי מגוון רחב של ממשקים פיזיים.
קומפוזיט אנאלוגי

ממשק של ערוץ בודד, כבל יחיד שבקצותיו RCA connector.


S-video

הממשק הנפוץ הוא mini-DIN-4 connector, ממשק עגול קטן בעל 4 פינים (הנושא שני ערוצים, ה Luma וה Chroma).

קומפוננט אנאלוגי

הממשק הנפוץ הוא שלושה כבלים הנושאים את שלושת ערוצי ה Y´PbPr, בקצותיהם RCA connectors (או לחילופין, BNC connectors).

RGBcvS
ממשק של ארבעה כבלים שבקצותיהם RCA connectors (או BNC).

SCART

זהו ממשק פיזי רב תכליתי המסוגל לשאת מגוון רחב של אותות: קומפוזיט, S-video, ו- RGB. ראש כבל ה SCART הוא גדול ושטוח ובעל 21 פינים.
פופולריים מאד הם כבלים שבשתי קצותיהם ראשי SCART. כמו כן, פופולריים כבלים שבצידם האחד SCART, ובצידם השני מחבר RCA עבור קומפוזיט, או מחבר S-video. בנוסף, ישנו כבל SCART המעביר RGBcvS – בקצהו האחד SCART ובקצהו השני 4 RCA לארבעת הערוצים.


D-sub 15 פינים (נקרא גם "כבל VGA")

הממשק נועד לשאת אות RGBHV אנאלוגי. ישנם מכשירים המסוגלים להעביר קומפוננט אנאלוגי על גבי ממשק זה.


DVI
 חיבור דיגיטלי – כיום בעיקר בשימוש לחיבור מחשבים. החיבור יכול להעביר RGBHV אנלוגי (DVI-A). הוא אינו מעביר אותות צליל (רק וידאו). ניתן להעביר דרכו אות מוצפן (HDCP) או לא מוצפן. ניתן להעביר החל מ- 480P (החיבור אינו מתיר SDTV כלומר 480i ו-576i – כלומר NTSC או PAL בהתאם).

HDMI

חיבור עדכני יותר. כולל חיבורי אודיו, מחבר קטן יותר, ומאפשר תמיד חיבור מוצפן HDCP. מאפשר גם העברת SDTV (כלומר PAL או NTSC). בחיבור HDMI קצב הנתונים משמעותי ולכן חיבור HDMI 1.3 זקוק לכבל שמסוגל להעביר נתונים בקצב של עד 10Gbps!

שני הממשקים (DVI ו-HDMI) מסוגלים לשאת אותות דיגיטאליים כגון ´R´G´B דיגיטאלי וקומפוננט דיגיטאלי Y´CbCr (ב- HDMI).

סיכום

סוגי האות, מסודרים לפי איכותם (מהטוב ביותר אל הגרוע ביותר)

אנאלוגיים:
1. קומפוננט אנאלוגי (Y´PbPr) או ´R´G´B אנאלוגי
2. s-video
3. קומפוזיט
דיגיטאליים:
1. HDMI (בגלל אפשרויות DEEP COLOR והעברת הצליל)
2. DVI – עדיף בקומפוננט דיגיטלי (Y´CbCr) או ´R´G´B דיגיטאלי

אנאלוגי או דיגיטאלי?

החסרון העיקרי באות אנאלוגי הוא שתיתכן הנחתה של האות בתחום התדרים הגבוהים. הנחתה זו תגרום לאובדן חדות ופירוט. ככל שדרישות ה bandwidth של האות גבוהים יותר (לדוגמא באותות HD), אזי קיים סיכוי רב יותר להנחתה שכזו. כמו כן, אופי ההנחתה תלוי בטיב הכבל ואורכו.

אציין שעבור אותות SD (כמו לדוגמא ב DVD), תוך שימוש בכבל קצר ואיכותי, לא יורגשו תופעות שכאלה.
בכל אופן, ההמלצה היא להשתמש באות דיגיטאלי, במיוחד אם השימוש הוא עבור אותות HD.

קומפוננט או ´R´G´B?

משום מה נשתרשה לה הדיעה כי ´R´G´B איכותי יותר מאשר קומפוננט.
חשוב לציין, כי מבחינה מתמטית, המעבר בין ייצוגים אלה אינו מאבד אינפורמציה, ואיננו מהווה סוג של דחיסה (מנקודת מבט מתמטית, זוהי התמרה לינארית בין שני מרחבים לינאריים תלת מימדיים). כל פיקסל, ניתן לייצג באמצעות שלשת ה ´R´G´B , או באמצעות שלשת ה Y´CbCr – שני הייצוגים מיייצגים את אותו הצבע בדיוק.

מצד שני, בד"כ כאשר עושים את המעבר לקומפוננט, מנצלים את ההזדמנות להוריד משמעותית ברוחב הסרט של אות הקומפוננט (הדבר פשוט בהרבה מאשר באותות RGB). בד"כ אותות מגיעים ללקוח לאחר הכיווץ הזה ולכן אין הבדל משמעותי בין RGB ל-קומפוננט בשלב הזה. בחיבורים דיגיטליים לעיתים ניתן לראות בעיות (לוקליות, כלומר של מכשיר מסויים) בהמרה מקומפוננט ל-RGB תוך שימוש במקדמים הנכונים.

כמו כן, כבר למדנו שתוכן המקור עצמו (DVD, שידורים דיגיטאליים, וכו´) שמור בפורמט קומפוננט דיגיטאלי.
ההבדל, כפי שהוסבר בחלק אודות אות ´R´G´B, הוא באיזה מכשיר מבוצעת ההמרה מקומפוננט ל ´R´G´B.

בדרך כלל, אם ההמרה מבוצעת במכשיר המנגן (כלומר האות שבינו לבין המסך הוא ´R´G´B), אזי ישנן פחות אפשרויות כיול ושליטה בתהליך ההמרה מאשר לו ההמרה נעשית על ידי המסך עצמו (כאשר האות בין המכשירים הוא קומפוננט).
העדפתי האישית היא אותות קומפוננט, אבל הייתי ממליץ לבדוק בין האלטרנטיבות עבור זוג המכשירים שבשימושכם.
ועוד פרט קטן – ציינתי לעיל כי ההמרה המתמטית אינה מאבדת מידע. אבל, במימוש פרקטי, עצם ביצוע החישוב עצמו מציג שגיאות חישוב קלות (שגיאות "עיגול"). פרקטית, אין הדבר משפיע על איכות ההמרה (אלא אם כן מבצעים את ההמרה פעמים רבות – מקומפוננט ל RGB וחזרה לקומפוננט ושוב ל RGB וחוזר חלילה).


13:00
  /  
31.12.2006
  
כתב: unsound_methods, ערכו: דרור אנגל, עפר לאור

1