Особенности и перспективы цифровых видеоинтерфейсов

1. Сквозь цифру к звездам

Самое слабое звено
Цифровой интерфейс между компьютером и монитором — явление не новое. В стандарте EGA (если кто-то еще помнит, как расшифровывается эта аббревиатура) данные передавались по шести двоичным каналам, позволяя отображать на экране 64 различных цвета. Появление интерфейса VGA было гигантским шагом вперед: три аналоговых канала, отвечающих за глубину каждого из трех основных цветов, сняли все ограничения на количество отображаемых оттенков, которое зависело теперь только от видеоадаптера. Прошло почти полтора десятилетия безраздельного властвования аналогового интерфейса, но судьба его, увы, уже предрешена. Виной тому — появление и более-менее широкое распространение плоскопанельных мониторов.

В отличие от ЭЛТ-мониторов, для которых существующий аналоговый интерфейс — решение абсолютно здравое (впрочем, ЦАП можно перенести с видеокарты внутрь монитора, что, возможно, даст некоторые преимущества), эти устройства по природе своей цифровые. Их использование с традиционным аналоговым интерфейсом — идея очень уж несуразная: созданный видеокартой цифровой сигнал преобразуется в аналог и передается через VGA-интерфейс на монитор, где снова оцифровывается. Что-то вроде очков, надетых поверх контактных линз, да при нормальном зрении. Ущербность такого решения видна с первого взгляда, аналоговое звено здесь явно лишнее. Позиция консерваторов, успокаивающихся тем, что мониторы неплохо справляются с обратной оцифровкой, то есть, продолжая аналогию, тем, что можно подобать очки, хорошо компенсирующие преломление контактных линз, конечно небезосновательна (хотя бы потому, что видеоадаптеров с цифровым интерфейсом на рынке не так уж много), но все же продиктована сиюминутной конъюнктурой.

ПоVESA
Фундамент цифрового видеоинтерфейса был заложен давно, еще в 1997 г., когда VESA предприняла первую попытку откликнуться намечающуюся потребность рынка и приняла стандарт Plug-and-Display (P&D). К сожалению, он оказался столь страшным монстром, что производители так и не рискнули выпускать продукты для PC с ним (если не принимать во внимание инициативу IBM). Судите сами: помимо передачи цифрового и аналогового видеосигналов в стандарт была заложена интеграция USB и FireWire (все это через единый 30-контактный разъем). P&D поддерживает горячее включение, о чем говорит его название, созвучное с модным тогда и обыденным сейчас Plug-and-Play.

Интересующая нас часть стандарта — метод цифровой передачи видеосигнала — позже лег в основу других интерфейсов. Базируется он на разработке компании Silicon Image — технологии PanelLink. Данные передаются по трем витым медным парам при помощи протокола TMDS (Transition Minimized Differential Signaling). Пропускная способность соединения — 165 МГц, это позволяет передавать изображение с разрешением до HDTV (1920x1080) при частоте обновления 60 Гц (оптимально для ЖК-мониторов) или до SXGA (1280x1024) при частоте 75-85 Гц (для ЭЛТ-мониторов).

P&D не нашел поддержки производителей из-за дороговизны реализации, а потребность в интерфейсе все возрастала. К осени 1999 г. некоторые группы предложили (и даже реализовали) собственные интерфейсы. Ассоциации VESA пришлось выбрать и одобрить еще один стандарт, пока всё это не переросло в очередную неразбериху. В качестве «переходного» варианты был выбран DFP разработанный и представленный осенью 1999 г. одноименной группой под руководством Compaq. DFP выглядит радикально усеченной версией P&D: никаких лишних компонентов, только цифровое видео. В основе лежит все тот же PanelLink, что позволяет при наличии простого адаптера использовать, например, монитор с интерфейсом P&D с видеокартой, оснащенной DFP-разъемом. Имеются и прогрессивные отличия от P&D: в DFP стали поддерживаться спецификации VESA Display Data Channel (DDC) и Extended Display Identification Data (EDID). Первая описывает стандартный коммуникационный канал между адаптером и монитором, вторая — формат информации о технических характеристиках монитора, что для пользователя означает отсутствие необходимости указывать тип монитора, а для операционной системы — ненужность баз данных с характеристиками устройств отображения.

Стандарт DFP не прижился широко, несмотря на выпуск некоторыми производителями графических продуктов, поддерживающих его (к примеру, карты ATI Rage Pro LT и Number Nine SR9). DFP имеет существенные недостатки: он не поддерживает горячее включение и аналоговый интерфейс (сразу видно, ЭЛТ-мониторы в расчет при разработке не принимались, интерфейс этот предназначен был исключительно для плоскопанельных мониторов); кроме того, казавшиеся достаточной в далеком 1997 г. пропускная способность 165 МГц к концу 1999 г. была уже не столь привлекательной в перспективе ближайших нескольких лет.

Два в одном
Основной же причиной отказа от DFP стало появление нового стандарта DVI, который сейчас можно уверенно рассматривать в качестве общепринятого. Группа, разработавшая стандарт — Digital Display Working Group (DDWG) — была создана по инициативе Intel, в нее вошли и участники DFP-Group. Первоначальный состав был такой: Intel, Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC и, естественно, Silicon Image. Спецификация DVI была представлена на IDF в апреле 1999 г., тут же были продемонстрированы и рабочие решения, использующие стандарт — плазменные мониторы Fujitsu и Phillips, ЖК-мониторы IBM и Compaq и прочие продукты. Несмотря на то, что все участники DDWG являются активными участниками VESA, DVI так и не был одобрен ассоциацией.

Стандарт вобрал в себя лучшее из предшественников, отбросив в то же время всё лишнее: в основе — та же технология PanelLink, поддерживаются DDC и EDID, горячее включение, не забыт и аналоговый интерфейс; все это может быть включено в единый 24+4-контактный разъем. Но это цветочки по сравнению с радикальным нововведением — двухканальным интерфейсом. В такой конфигурации пропускная способность удваивается и достигает 330 МГц, что на практике означает разрешения до 2048x1536@60 Гц (QXGA) для ЖК-мониторов и до 1920x1080@85 Гц (HDTV) для ЭЛТ. При использовании простых адаптеров стандарт совместим с DFP (цифра, DDC и EDID) и P&D (цифра и аналог), однако, второй канал TMDS по очевидной причине для таких соединений задействовать нельзя.

По оптимистичным прогнозам Intel, стандарт DVI будет актуален как минимум следующие десять лет. Сейчас степень его распространения напрямую связана с долей плоскопанельных мониторов (главным образом, ЖК-мониторов с активной матрицей) на рынке. А то, что такие мониторы если не заменят, то сильно потеснят ЭЛТ-дисплеи, ясно уже сейчас — единственным сдерживающим фактором является их высокая цена. Кроме того, следует ожидать и распространения цифровых ЭЛТ-мониторов, которые, если получат широкую популярность, сильно подтолкнут переход к новому интерфейсу. Да и обычные мониторы с аналоговым интерфейсом DVI стойкости VGA-разъема никак не поспособствуют.

Вытеснение старого интерфейса набирает обороты. В не столь уж отдаленном будущем дело, скорее всего, дойдет дойти и до отмирания аналоговой части DVI. Цифра возвращается; теперь уже, кажется, навсегда.

2.  Различий много, путь — один

Полоса белая, полоса черная
Рассмотрим наиважнейшую характеристику видеоинтерфейса — пропускную способность. Необходимая для того или иного разрешения ширина полосы пропускания вычисляется по формуле: разрешение *частота обновления * (1 + интервал синхронизации / 100). Например, для разрешения HDTV ЖК-монитору требуется полоса в 1920 *1080 * 60 Гц * (1 + 5% / 100) ~ = 131 МГц.  Понятно, что ЭЛТ-мониторы более требовательны к полосе пропускания по сравнения с их ЖК-собратьями — во-первых, частота обновления здесь должна быть выше для уменьшения мерцания экрана (75-85 Гц против 60 Гц для ЖК), во-вторых, ЖК-матрице не нужно дополнительное «пустое» время на обратный ход электронного луча (за полным отсутствием такового). Никакого фиксированного интервала гашения стандарт DVI не предусматривает (он зависит от характеристик монитора), теоретически возможна передача с нулевым интервалом.

Коль скоро речь зашла о различиях технологий, нужно бросить маленький камушек и в огород ЖК-матриц. Старые модели ЖК-мониторов имели проблему с воспроизведением видео и играми — проявлялся неожиданный эффект размазывания картинки (шлейф) при отображении быстрых последовательностей (например, при резком движении камеры). Этот эффект обязан своим появлением большому времени отклика элементов матрицы (времени, за которое меняет свою прозрачность каждый элемент). Обычный видео ролик воспроизводится со скоростью 25 кадров в секунду, т.е. на отображение одного кадра отводится 1 / 25 = 40 мс. Если время отклика больше этой цифры (например, 45 мс) то картинка получится смазанной. Современные ЖК-матрицы имеют время отклика 15-25 мс, то есть позволяют ясно показывать 40-60 кадров в секунду. Именно поэтому оптимальная частота регенерации для ЖК-мониторов — 60 Гц, большие значения не требуются, поскольку матрица не мерцает, а человеческому глазу и 25 кадров в секунду достаточно, чтобы видеть движущуюся картинку.

Ширина полосы пропускная одного канала TMDS (медный барьер) составляет 165 МГц или пикселов в секунду (одновременно по трем каналам передаются 8-битные уровни красного, зеленого и синего, то есть 24-битный цвет). Минимальная частота составляет 25,175 МГц, это связано с наименьшим допустимым разрешением, оговоренным спецификацией — VGA (640x480@65 Гц — «умолчальное» разрешение при начальной загрузке). Более низкие разрешения невозможны: при частоте ниже 22,5 МГц в течение одной секунды соединение считается разорванным.

В стандарте DVI при использовании двух каналов (если монитор поддерживает двухканальную конфигурацию, второй канал может быть включен, только когда требуется частота выше 165 МГц) полоса пропускания разделяется между ними равномерно, поскольку сигнал синхронизации у них общий, например, при полосе 300 МГц каждый канал работает на 150 МГц. Кроме того, в стандарт заложена возможность использования второго канала, как дополнения для передачи большой глубины цвета (до 48 бит), по первому каналу передаются старшие 24 разряда, а по второму — младшие. Такое решение идет вразрез с принципом, разрешающим использование второго канала только при перегрузке первого, поэтому будущие версии спецификации могут предписывать другие решения, не совместимые с этим.

А в результате…
При начальной загрузке видеоадаптер предполагает наличие VGA-совместимого монитора, то есть любой DVI-монитор должен поддерживать разрешение 640х480 при частоте обновления 60 Гц. Позже BIOS и операционная система через DDC опрашивают монитор на предмет поддерживаемых разрешений. Окончательное разрешение зависит от настроек пользователя, который волен выбирать из списка разрешений, одновременно поддерживаемых видеоадаптером и монитором. При горячем включении работает специальный механизм HPD (Hot Plug Detection): монитор опрашивается через DDC и если он цифровой, включается канал TMDS. В противном случае работа DVI-монитора ничем не отличается от работы через традиционный VGA-интерфейс.

Когда требуемое разрешение и частота определены, остается еще пара параметров, влияющих на окончательное качество картинки: масштабирование и гамма. Все заботы с масштабированием стандарт возлагает на устройство отображения, его качество является «возможностью за дополнительную плату», что прямым текстом и указано в спецификации. Причем, если монитор поддерживает масштабирование какого-то низкого разрешения, он должен поддерживать масштабирование всех стандартных разрешений между этим разрешением и своим родным. При отсутствии возможности масштабирования монитор все-таки должен правильно отображать низкие разрешения (в окне).

Как известно, ЭЛТ-мониторы имеют нелинейную цветопередачу и требуют гамма-коррекции (увеличения g в формуле Y=xg, где x — линейный сигнал на входе, а Y — сигнал на выходе) для отображения нормализованной картинки. Для ЭЛТ необходимое значение g (гаммы) составляет около 2,2. Спецификация DVI рекомендует поддержку этого значения цифровыми мониторами всех типов до тех пор, пока в этой области нет единых стандартов. Таким образом, коррекция также перекладывается на монитор, если он не ЭЛТ…

Не бросайте трубку
Аналоговые ЭЛТ-мониторы не забыты и только их поддержка делает всеобщий переход от VGA к DVI относительно безболезненным. Имеется два типа DVI-разъемов: DVI-D (цифровой) и DVI-I (интегрированный цифро-аналоговый). К гнезду DVI-D можно подключить только цифровой монитор, а к DVI-I — любой. Встречаются также аналоговые DVI-A-кабели, которые используют DVI, как современную альтернативу обычному VGA; это не что иное, как DVI-I с выкорчеванными TMDS-соединениями. Такие кабели можно встретить с новыми аналоговыми ЭЛТ-мониторами.

Но на рынке появляются и цифровые ЭЛТ-мониторы. Пока не ясно станут ли они популярными сразу (первые попытки не вселяют особого оптимизма: минимум качества при высокой цене), но перенос ЦАП с видеокарты внутрь монитора открывает некоторые интересные перспективы (помимо очевидной выгоды от ликвидации метра кабеля с аналоговым сигналом) — например, делает возможной передачу цифровых данных только при изменении картинки, в то время как частота регенерации будет функцией самого монитора. Это минимизирует объем данных, идущих по кабелю и позволит монитору работать с высокими частотами регенерации независимо от входного сигнала (и, конечно, заметно повысит цену монитора). Стандарт DVI позволяет делать это, но, к сожалению, реализации такой возможности ожидать в ближайшие два-три года не приходится.

DDWG в лице Intel подсказывает и другую (очень неоднозначную) возможность — перенести в сферу ЭЛТ такую особенность плоскопанельных мониторов, как фиксированное разрешение. Мониторы, в данное время вынужденные поддерживать множество разнообразных разрешений и частот регенерации (multi-sync), а фиксированное разрешение позволит удешевить (?) и упростить мониторы. Не понятно только, что будет в этом случае с неродными разрешениями: либо их поддержки не будет вообще (как вам такая перспектива?), либо в монитор придется включать функции цифрового расширения и компрессии (спецификация DVI возлагает эти задачи на устройство отображения). В последнем случае еще неизвестно, удешевит отказ от multi-sync мониторы или наоборот. А качество картинки в неродных разрешениях все равно не будет оптимальным, сколько покупатель ни был бы готов за него заплатить.