T�m�n dokumentin tarkoituksena on kuvata tekniikoita ja yksi laitteistototeutus, jolla tietokonekuvan normaalista PC:n n�ytt�kortista saa n�kyville television ruudulle. T�ll�ist� muunnostekniikkaa tarvitaan sovellutuksissa, joissa yhdistet��n tietokonelaitteita ja televisiotekniikkaa. Esimerkej� t�ll�isist� j�rjelmist� ovat erilaiset televisiota n�ytt�n��n k�ytt�v�t informaatioj�rjestelm�t sek� tietokoneistettu televisio-ohjelmien tuotanto. Pelik�yt�ss� liitt�m�ll� tietokoneen televisioon on helppo saada tavallista tietokoneen monitoria isompi kuva edulliseen hintaan.
Tietokonekuvan saamisessa televisioon on ongelmana tietokoneen ja television videosignaalien erilaisuus. Ensimm�isen� erona on lomituksen k�ytt�. Tietokonen�ytt�iss� ei tyypillisesti k�ytet� lomitusta, kun taas televisiol�hetyksiss� kuva l�hetet��n lomitettuna. Tietokonek�yt�ss� lomittelematon ja riitt�v�n tihe�sti p�ivitett�v� n�ytt� takaa vakaan v�risem�tt�m�n kuvan. Lomittelematonta kuvaa monitorille piirret��n joka p�ivityskerralla koko kuvan kaikki pisterivit per�j�lkeen kuvaruudulle. Kuva 1 esitt�� monitorin elektronisuihkun liikkeit� lomittelemattoman kuvan piirrossa.
Kuva 1: Lomittelematon pyyhk�isy
Perinteisess� analogisessa televisiol�hetyksess� k�ytet��n lomitusta. T�m� menetelm� s��st�� l�hetyksess� tarvittavaa kaistaa ja kuitenkin tarjota riitt�v� hyv�n kuvan laadun katsojalle. Lomituksessa jokaisella ruudun p�ivityyskerralla piirret��n vain joka toinen pisterivi. Ensimm�isell� ruuvun p�ivityskerralla piirret��n parittomat pisterivit, seuraavalla parilliset ja niin edelleen. Kuva 2 esittelee elektronisuihkun liikkeen lomitetussa n�yt�n p�ivityksess�.
Kuva 2: Lomitettu pyyhk�isy
Toisena erona ovat erilaiset p�ivtystaajuudet. Nykyp�iv�n tietokonen�yt�iss� on pyrkimyksen� saada v�hint�n 75 Hz p�ivitystaajuus ruudulle lomittelemattomanana. T�m� johtaa ett� n�ytt�laitteen vaakapyyhk�isytaajuuden tulee olla olla reilusti suurempii kuin televisiol�hetyksiss� k�ytetty noin 15,6 kilohertsi�. Tyypillisesti nykyp�iv�n PC-n�yt�iss� vaakapyyhk�isytaajuus on aluella 31-100 kilohertsi� ja ruudun p�ivitystaajuus aluella 60-100 hertsi�.
Kolmantena erona ovat television liit�nn�t. Tyypillinen televisio on suunniteltu ottamaan kuva synkronoinnit, kirkkaus ja v�rit yhdest� antennisignaalista sis��n tulevasta radiotaajuisesta l�hetteest�. Normaalissa PC:n VGA-n�yt�ss� kuvasignaalit vied��n analogisina RGB-signaaleina monitorille sek� n�iden lis�ksi monitorille vied��n erilliset vaaka- ja pystysynkronointisignaalit Antennisignaalin lis�ksi moni nykyaikainen televisio pysyty vastaanottamaan EURO-AV-liit�nn�st��n my�s komposiittivideosignaalia, Y/C-videosignaalia ja RGB-signaalia. Mik��n n�ist� edell� mainituista television vastaamista signaaleista ei ole tarkalleen samanlaista kuin mit� k�ytet��n PC:ss� n�ytt�kortin liitt�miseen monitoriin. Television haluamista signaaleista. RGB-signaali on l�himp�n� VGA-kortin antamaa signaali, mutta eroaa siit� synkronoinnin ostalta television k�ytt�ess� esillisten synkronointisignaalien sijasta komposiittisynkronointisignaalia.
N�ist� eroista johtuen tavallinen televisio ei pysty suoraan esitt�m��n tietokoneen kuvaa. Kun tietokonekuvaa halutaan n�ytett�v�n televisioruudulla, t�ytyy tietokoneen kuva ensin muuttaa television haluamaan muotoon. T�m� muunnos on teht�viss� erillisisill� muunnillaitteille, joita usein kutsutaan "VGA-TV-muunnin"-nimell�. N�it� laitteita on markkinoilla hyvin kirjava valikoima. Lis�ksi on olemassa erikoisgrafiikkakortteja, joissa on televisiognaalin l�ht� normaalin monitoril�hd�n lis�ksi.
Tietokonekuvan muuttamisessa televisioon on monia ongelmia j�ljell�, vaikka kuvan p�ivitystaajuus ja signaalien muodot saataisiin muutettua. Suurimmat ongelmat erilaiset resolutiot, vuorottelun aiheuttama juovav�lkynt�, television videosignaalin v�rij�rjestelmien rajoitukset ja liikeartifaktit.
Tyypillisesti tieotkonen�yt�iss� k�ytet��n resoluutioita 640x480,800x600,1024x768 ja 1280x1024. Mik��n n�ist� resoluutoista ei suoraan sovi television ruutuun, koska Euroopassa k�yt�ss� olevissa PAL-versioissa on 576 vaakajuovaa ja USA:ssa k�yt�ss� olevassa NTSC-j�rjestelm�ss� on taas 483 vaakajuovaa. N�nm� juovaluvut ovat maksimiarvoja ja k�yt�nn�ss� osa n�ist� juovista j�� normalissa televisiossa n�kyv�n kuva-alan ulkopuolelle. K�ytyt�nn�ss� 640x480 kuvasta j�� sellaisenaan esitettyn� USA:ssa k�ytetyssa NTSC-j�rjestelm�n televisiossa osa kuvasta pystysuunnassa n�kyv�n kuva-alan ulkopuolelle, kun taas sama kuva esitettyn� Eurooppalaisessa PAL-televisiossa ei t�yt� koko kuva-alaa. K�yt�nn�ss� resoluutioero pystysuunnassa voidaan ratkaista kolmella eri tavalla:
Kuva 3: Esimerkki mahdollisesta pisterivien interpoloinnista tietokonekuvan muuttamisessa pystyresoluutioltaan televisioon sopivaksi.
Vaakasuunnassa kuvan kokoa voidaan s��t�� joko muuntimen tai tietokoneen puolella kuvaan muodostavan elektroniikan ajastuksia muutamalla. Jos tietokoneen kuva on television liian leve�, niin kuvaa voidaan kaventaa samaan tapaan kuin monitorin kuvaakin nostamalla piksellikellon taajuutta ja kasvattamalla kuvan mustia reunoja sen verran, ett� vaakapyyhk�isytaajuus pysyy vakiona. Kuvan juovataajuuden suurus on piksellikellon taajuus jaettuna koko juovan pituudella, mihin kuuluvat ise n�kyvien kuvapisteiden lis�ksi reunukseen kuuluvat mustat pisteet ett� vaakasynkronointipulssi. Ajastuksen muunnos voidaan tehd� helposti PC:n n�ytt�kortilla, jos vaan n�ytt�kortin ajurit t�ll�ist� tukevat. Muunnos voidaan tehd� my�s muistia sis�lt�v�n videomuuntimen videoulostulon ajastuksia muuttamalla, mik�li k�ytet��n t�ll�ist� muunnintyyppi�.
Yksinkertaisin tapa muuttaa tietokoneen lomittelematon videosignaali lomitelluksi televisosignaaliksi on jakaa kuva siten, ett� joka toinen juova tulee parilliseen kentt�� ja joka toinen parittomaan kentt��n kuvan 4 mukaisesti:
Kuva 4: Lomittelemattoman kuvan muuttaminen lomitelluksi valitsemalla joka toinen pisterivi parilliseen ja parittomaan puolikuvaan. [3]
T�m� menetelm� toimii hyvin jos kuvamateriaalina on normaalilla videokameralla tai kameralla otettu kuva. Tyypillisen tietokoneella tuotetun kuvamateriaalin kanssa t�m�n menetelm�n tuottama kuva on v�risev�, koska monissa tietokonekuvissa (esimerkiksi ikkunoitu k�ytt�j�rjestelm�n n�ytt� tai pienifonttinen teksti) on paljon vain yhden pisterivin levyisi� vaakaviivoja, jotka t�ss� muutoksess tulisivat vain joka toiseen puolikuvaan. T�m� tarkoittaa, ett� PAL-televisiossa ne p�iviett�isiin ruudulle vain 25 kertaa sekunnissa. V�lkynt� on erityisen h�iritsev�� kuvan paikoissa, joissa on voimakas kontrasti, esimerkiksi kapea vaalea viiva mustalla pohjalla.
Juovav�lkynt�ongelma voidaan v�ltt�� joko v�ltt�m�ll� sellaisia kuvia, jota synnyt�v�t v�rin�� tai muokkamalla televisioon menev�� signaalia siten, ett� juovav�lkynt� v�henee. Esimerkiksi televisiol�hetyksiin tehty grafiikka on tyypillisesti tehty siten, ett� siin� ei esiinny t�ll�isia kapeita vaakaviivoja. N�iden v�ltt�minen onnistuu k�ytt�m�ll� sopivia suotimia piirto-ohjelmassa ja huolehtimalla ett� grafiikka tekev� ihminen esikatselee grafiikkansa televisioruudulta koko ajan ty�t� tehdess��n, jolloin h�n havaitsee t�m�n h�iritsev�n ongelman heti kuvaa tehdess��n ja voi korjata sen samalla kun sen huomaa.
Normaalin tietokoneen ruudun kuvan n�ytt�misess� telvisiossa t�m� menettelytapa ei yleens� ole k�tev�, koska tyypillisen tietokoneen k�ytt�j�rjestelm�n tuottamaan ruutuun on hankala puuttua mill��n normaalilla ohjelmalla. T�st� syyst� kaupalliseen vidoemuuntimeen on k�yt�nn�ss� rakennettava sellaiset suotimet, joka v�hent�v�t juovav�lkynn�n siedett�v�lle tasolla. T�m�n toteuttamiseen tarvitaan muuntimeen lis�� muistia ja kuvasignaalin k�sittelyyn pystyv�� elektroniikkaa, jolla on mahdollista suorittaa yksinkertaista signaalin suodatusta kuvan pystysuunnassa. Tyypillisin suodatus on ulostuloa muodostettessa laskea yhteen kaksi tietokonekuvassa olevaa p��llekk�ist� pisterivi� kuvan 5 tapaan. T�ll�isell� menetelm�ll� aikaansaatu kuvasignaali on esitetty kuvassa 6.
Kuva 5: Pisterivien interpoloinnin periaate juovav�lkynn�n v�hent�miseksi
Kuva 6: Esimerkki juovav�lkynn�n suodatuksen avulla muodostettu videosignaalista. [8]
T�m� on jo sin�ns� ihan toimiva ratkaisu, mutta ei anna aivan optimaalista kuvanlaatua. K�yt�nn�n toteutuksissa yleens� interpoloidaan v�hint��n kolmen pisterivin sis�lt� ja tarvittessa interpoloinnissa k�ytet��n ep�lineaarisia funktioita, joden parametreja viritt�m�ll� voidaan saavuttaa optimaalinen eri tarkoituksiin tulos kuvan tarkkuuden tai v�lkynn�n osalta. [2]
PAL- ja NTSC-standardien mukaiset videosignalit eiv�t pysty toistamaan koko RGB-savaruuden toistamaa v�rialuetta.[4] N�m� rajoitukset johtuvat n�iden videosignalien v�rikantoaallon modulaation rajoituksista, jotka juontavat juurensa v�rij�rjestelmien yhteensopivuusvaatimuksista mustavalkoisten televisiovastaanottimien kanssa. [5] K�yt�nn�ss� t�m� tarkoittaa, ett� muumuassa t�ysin kyll�isten kirkkaiden p��v�rien esitt�minen ei onnistu siten, ett� pysytt�isiin vidoesignaalien standardien m��ritysten rajoissa. Jos komposiittivideosignaalin normaalin v�rialueen ulkopuolista v�ri� yritet��n esitt��, niin tuloksen on v��ristynyt videosignaali, jota ei pystyt� vastaanottaman kunnolla ja joka aiheuttaa ongelmiva videostudioiden laitteiden kanssa.
T�ll�isten "laittomien" v�rien syntyminen voidana est�� joko tekem�ll� t�ll�isen muuntimen kautta esitett�v� kuva sellaiseksi, ett� t�ll�isi� ongelmallisia v�rej� ei tietokonekuvassa ole tai rakentamalla muunninlaite sellaiseksi, ett� se korvaa n�m� ongelmalliset v�rit sellaisilla, jotka voidaan esitt�� v�rillisell� komposiittivideosignaalilla. Tietokonekuvan k�sittelemiseen sellaiseksi ett� n�it� "laittomia" v�rej� ei ole on olemassa valmiita ty�kaluja, esimerkiksi PhotoShop-piirto-ohjelma sis�lt�� suotimen, joka muuttaa kaikki kuvassa olevat v�rit sellaisiksi, ett� NTSC-v�rij�rjestelm� pystyy ne esitt�m��n.
Tietokonen�yt�n ja television pisteen kirkkauden vaste sis��ntuloj�nnitteeseen ei ole suora, vaan noudattaa exponentiaalista k�yr��n, joka muotoa kuvataan gamma-arvon mukaan- [6] Tyypillisess� tietokonen�yt�ss� gamma-arvo on noin luokkaa 2,5, mik� tarkoittaa k�yt�nn�ss�, ett� 50 prosentilla maksimiohjausj�nnitteest� monitorilla oleva kuva saavuttaa noin 18% maksimikirkkaudestaan. Gammavastefunktiot ovat hiukan erilaisia televisossa (2,2 NTSC-j�rjestelm�ss� sek� 2,8 PAL-j�rjestelm�ss�) ja tyypillisess� tietokonen�yt�ss� (2,5). N�m�t erot on havaittavissa mm- tumminpien s�vyjen toistumisen eroissa katsottaessa samaa kuvaa tietokoneen ruudulla ja television ruudulla. Yleens� gamman eroja ei pidet� suuren ongelmana kuin vaativissa grafiikkasovellutusksissa, joten monet VGA->TV muuntimet eiv�t yrit� puuttua kuvan gammatoistoon, vaan koodaavat tietokoneelta tulevat tummuussignaalit sellaisenaan ulostulosignaaliinsa.
Muunnitekniikat, joissa tietokoneen tuottama kuvataajuus on sama kuin televisiolle menev� puolikuvien taajuus tietokoneen ruudulla tasaisesti liikkuva liike toistuu tasaisesti my�s televisioruudulla.
Jos tietokoneen n�yt�n kuvataajuus on erilaienn kuin television kuvataajuus tarvitaan muunnin, joka pystyy muttamaan kuvataajuutta, eli t�yden yhden kuvan muistin k�sitt�v� muunnin. Kun t�ll�inen kuvataajuuden muunnos tehd��n yksinkertaiseti tulee ulostulevaan kuvaan helposti ongelmia, jota aiheuttavat, ett� tietokoneen ruudulla n�kyv� tasainen liike ei ole en�� tasaisen n�k�inen televisioruudulla. Jos muunnin kirjoittaa ja lukee samaa yht� muistipuskuria eri tahtia on tuloksena tyypillisesti, ett� liikkuva kohde n�ytt�� v�lill� katkeavan keskelt�, koska kohteesta televisioon l�hetett�v�ss� kuvassa kohteen yl�- ja alaosa ovat per�isin tietokoneelta tulevista eri kuvista, joissa kohde on eri paikassa.
Kuva 7: Liikkuvan kohteen hajoaminen tietokoneesta televisioon muunnoksessa. T�ss� esimerkiss� ylh��ll� on ne�j� tietokoneelta tulevaa kuvaa ja alhaalla on kolme t�n� aikana televisioon l�hetett�v�� kuvaa.[7]
T�st� ongelmasta p��st��n eroon, jos muuntimeen laitetaan kahdesta kolmeen yhden kuvan muistia, joihin kirjoitetaan ja joita luetaan aina vuorotellen siten, ett� kun yht� l�hetet��n ulos televisioon, niin kirjoittaminen tapahtuu aina toiseen puskuriin. T�ll� menetelm�ll� jokainen ulos l�hetett�v� kuva on t�sm�lleen yksi tietokoneelta tuleva kuva. Koska kuvatajuudet ovat erilaiset, joudutaan joitain tietokoneelta tulevia kuvia v�tt�m��n esitt�m�tt� televiossa ja joissain tilanteissa voi olla tarpeen n�ytt�� jokin tietokoneen l�hett�m� kuva kahdesti televisioon. T�m� kuvien poisj�tt�misest� tai esitt�misest� useamapaan kertaan aiheuttaa sen, ett� tietokoneen ruudulla n�kyv� tasainen liike n�ytt�� nykiv�lle televisioruudussa.
Edell� mainituista liikeongelmista p��st��n l�hes t�ysin eroon jos muuntimeen lis�tt�isiin muistia montaa kuvaa varten ja ulostulosignaali muodostettaisiin n�ist� talletetuista kuvista interpoloimalla koko kuvaruutujen v�lill�. T�ll�inen prosessointi vaatisi kunnolla toimiakseen edistytt� digitaalista videosignaalin k�sittely� jossa otetaan huomioon eri kuvan osat ja niiden erilaiset liikkeet. Kuvasta laskettujen liikevektorien avulla voidaan interpoloidan sis��n tulevista kuvista televisioon l�hetett�v� kuva, jossa liikkuvat kohteet ovat "ajallisesti oikeassa paikassa". T�m� tekniikka on kuitenkin hyvin monimutkaista ja kallista, joten sit� k�ytet��n vain eritt�in kallissa studiok�ytt��n tehdyiss� muuntimissa.
Takaisin sis�llyslyetteloon