Z-sorting

Процесс удаления невидимых поверхностей с помощью сортировки многоугольников в порядке низ-верх, предшествующий рендерингу. Таким образом при рендеринге верхние поверхности обрабатываются последними. Результаты рендеринга получаются верными только, если объекты не близки и не пересекаются. Преимуществом этого метода является отсутствие необходимости хранения значений глубины. Недостатком является высокая загрузка процессора и ограничение на пересекающиеся объекты.

7.6. Выводы

Нетрудно заметить, что почти все производители обещаю примерно одно и тоже, однако, как показывает практика, нельзя верить обещаниям. Очень многое зависит от того, как реализованы драйверы и поддержка со стороны разработчиков программного обеспечения.

Мы постарались рассказать о всем, что, на наш взгляд, заслуживает внимания. Надеемся, что у вас сложилось мнение о том, что доступно сегодня для на потребительском рынке 3D графических ускорителей. Кроме того, думаем, что вы теперь знаете, чего следует ожидать в ближайший год.

В любом случае, решать вам. История знает массу примеров, когда достойный продукт исчезал без следа, а доминирующее положение занимал добротный, но уступающий по своим парамерам конкурент, правда у этого конкурента была широкая поддержка, хороший маркетинг и привлекательная цена. Будем надеется, что чемпион рынка будет сочетать в себе все самое лучшее по приемлемой цене. Мы же со своей стороны обещаем проводить сравнительное тестирование всех новых чипсетов, по мере появления их в нашей лаборатории.

 

 

ТЕМА 8. ВИДЕОКОНФЕРЕНЦИИ

8.1. Общий обзор

В 1964 г. Bell Laboratories - исследовательское подразделение компании AT&T - представило Videophone, первую аудиовизуальную систему электронного взаимодействия двух лиц в режиме реального времени. Так было положено начало истории развития систем видеоконференций. За прошедшие с тех пор тридцать с лишним лет произошли столь глубокие перемены в области компьютерной техники, средств связи и ПО, что возможности современной видеоконференцсвязи показались бы фантастическими создателям системы Videophone. Первые системы видеоконференций появились на рынке корпоративных продуктов в конце 70-х - начале 80-х гг. Они были достаточно дорогим удовольствием, поскольку требовали выделенных высокоскоростных линий связи, специально обученных операторов и определенным образом оборудованного помещения.

Возможности общения, функции, поддерживающие работу с разделяемыми приложениями и интерактивный обмен информацией и предоставляемые видеоконференциями, позволили рассматривать видеоконференции как часть решения по автоматизации деятельности предприятия и отдельного пользователя. Число установленных на начало 1996 года систем превышает во всем мире 350 тысяч (при этом более двух третей из них установлены в США). В этой стране никого не удивляет тот факт, что на визитных карточках, наряду с телефоном, факсом, адресом электронной почты указывается телефон и адрес, по которому можно осуществить видеоконференцсвязь. Здесь к концу 1998 года планируют оснастить системами для проведения видеоконференций более 90% рабочих мест. Однако в России дела обстоят пока совсем иначе. Связано это с ограниченными возможностями российских рынков компьютерных технологий и телекоммуникаций. Видеоконференции сегодня - это относительно новая технология, вобравшая в себя лучшие достижения в компьютерной области, в том числе и столь популярную сегодня технологию мультимедиа. Два-три года назад вряд ли кому-нибудь пришло бы в голову, что видеоконференции из забавы для профессионалов превратятся в серьезные инструменты решения конкретных задач.

Видеоконференции - сравнительно молодая, но активно развивающаяся область средств, обеспечивающих электронное взаимодействие между людьми. В Америке пользоваться видеоконференцсвязью становится так же естественно, как говорить с коллегой по телефону. В России видеоконференции пока распространены меньше. Компании, задумывающиеся о приобретении такой системы, прежде всего должны ответить на вопрос "для какой цели?" Скептики утверждают, что любую задачу можно решить без помощи видеоконференции. Апологеты, естественно, не согласны с этим мнением и твердят, что видеоконференции нужны всегда и везде - для работы над сложными корпоративными проектами, сотрудничества с заказчиками, набора новых сотрудников, обсуждения документов, решения самых разных бизнес-задач, обеспечения телемедицины и дистанционного обучения и др. Истина, как всегда, находится где-то посередине.

Видеоконференция- это способ обмена видеоизображениями, звуком и данными между двумя или более точками, оборудованными соответствующими аппаратно-программными комплексами. Ее участники могут видеть и слышать друг друга в реальном времени, а также обмениваться данными и совместно их обрабатывать. Подобная система способна значительно повысить продуктивность работы пользователей, обеспечивая им такие возможности, как личное общение без затрат на переезды, своевременный обмен необходимой информацией и совместная работа над какой-либо задачей удаленных друг от друга участников этого процесса (они могут находиться на разных этажах одного здания или даже в разных уголках земного шара).

Сегодня работать со средствами видеоконференцсвязи персонального и даже группового уровня ненамного сложнее, чем с оконной ОС, и затраты на них вполне приемлемы для крупных компаний, имеющих разветвленную сеть филиалов. Одним из основных факторов, позволивших настолько серьезно изменить ситуацию, - это появление кодеков (Codec - аппаратный или программный механизм для преобразования исходного видео- или звукового аналогового сигнала в сжатую цифровую форму и обратно). Одновременно с внедрением кодеков все более широкое распространение получали различные сетевые технологии, а, соответственно, снижалась стоимость их применения. Особенно стимулировало развитие рынка систем видеоконференций активное развертывание во многих странах цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN). Объединение шести базовых (В) каналов ISDN (общая пропускная способность - 384 кбит/с) позволяет добиться передачи видеоизображений с высокой частотой смены кадров (до 30 кадров/с) и обеспечить вполне приемлемое качество воспроизведения на дисплее ПК.

Кодек(средство кодирования/декодирования сигналов) является сердцем современной системы видеоконференций. Первые кодеки появились в 1982 г. Они представляют собой программы или устройства, которые выполняют сжатие/декомпрессию аудио- и видеосигналов, позволяя передавать их по средне- и низкоскоростным каналам связи. Таким образом, кодеки позволяют осуществлять видеокоммуникации по стандартным сетям.

8.2. Промышленные стандарты

Промышленные стандарты призваны сделать видеоконференции столь же распространенными, как телефонная и факсимильная связь. Благодаря им системы поддержки видеоконференций разных производителей могут без проблем устанавливать связь между собой, как связываются между собой другие телекоммуникационные устройства.

Свыше десяти лет существовали системы для двусторонних видеоконференций, занимавшие ограниченную нишу, в которой доминировала горстка небольших американских и британских фирм. Эти компании предлагали и "групповые" системы видеоконференций, которые обеспечивали связь между двумя группами, находящимися в специально оборудованных конференц-залах. При этом обычно использовались выделенные междугородные каналы, а также коммутируемые линии, например дробные каналы T-1, а иногда и ISDN.

Преодоление застоя началось в декабре 1990 г., когда ITU-T (International Telecommunications Union Telecommunications Standardization Sector) завершил работу над системой стандартов H.320. Эти стандарты впервые определили lingua franca - "общий язык" для систем видеоконференций, благодаря которому системы различных изготовителей смогли обмениваться "живыми" видео и звуком, а также файлами данных. Стандарты гарантировали также совместимость с уже существующими системами.

Как и в других областях компьютерной индустрии, в сфере видеоконференций становится все очевидней, что необходимо обеспечивать совместимость продуктов разных производителей. Это позволит создавать в корпорации единую среду видеосвязи, способную к расширению и обновлению при сохранении прежних инвестиций. Обеспечить такую интероперабельность призваны стандарты видеоконференций, работу над которыми уже в течение ряда лет ведет МСЭ.

Параметры систем поддержки видеоконференций для настольных ПК регламентируются H.320, H.323 и H.324, описывающими принципы обмена аудио- и видеоданными, а также стандартом обмена цифровыми данными T.120. Эти стандарты, находящиеся на разных стадиях разработки, приложимы к различным методам передачи данных:

§ Стандарт обмена данными T.120:

- Определяет стандарты в области передачи файлов и "аудиторных досок"

- Частью T.120 являются также принципы совместного использования приложений, представленные в ITU.

§ H.320- стандарт ITU для коммутируемых сетей общего пользования:

- Обеспечивает обмен аудио- и видеоданными между системами поддержки видеоконференций разных производителей по сетям ISDN

- Включает в себя стандарт обмена видеоданными H.261 и стандарты обмена аудиоданными G.711, G.722 и G.728, а также стандарт обмена цифровыми данными T.120

§ H.323- стандарт ITU для Internet и сетей intranet, или "IP-сетей"

- Включает в себя стандарты обмена видеоданными H.263 и H.261, стандарты обмена аудиоданными G.711, G.722 и G.728, а также стандарт обмена цифровыми данными T.120

- Дополняется протоколами RSVP/RTP, реализация которых в IP-среде обеспечивает гарантированное качество обслуживания и пропускную способность

§ H.324- стандарт ITU, обеспечивающий совместимость с обычными телефонными линиями:

- Включает видеостандарт H.263, аудиостандарт G.722 и стандарт обмена данными T.120

В число стандартов видеоконференций входит известный H.320 на базе ISDN, а также более новые H.323 (сетевой) и H.324 (модемный). Эти три стандарта не предполагают непосредственного взаимодействия, но с помощью шлюза вы можете "навести мосты" между тремя соответствующими системами. Шлюз между H.320 и H.323 помогает удаленным пользователям ISDN участвовать в видеоконференции с пользователями, подключенными к сети.

Появление H.320 помогло убедить крупнейшие многонациональные компании заняться этим направлением, и в течение года рынок резко увеличился.

Первые настольные системы, совместимые с H.320, были предложены в начале 1990-х г. рядом фирм, выпускавших системы групповых видеоконференций, такие, как PictureTel и VTEL. Ориентированные на использование ISDN или коммутируемых линий Switched-56, они предлагались в основном в качестве дополнения к уже существующим системам видеоконференций. Эти изделия пользовались определенным успехом у владельцев систем для проведения групповых видеоконференций, но массового потребителя отпугивали высокие цены на аппаратные средства и сложность процедур установки цифровой телефонной службы.

Спецификации H.32x опираются на заимствованные стандарты для аудио- и видеокодеков (систем компрессии/декомпрессии) для преобразования видео-, аудиосигналов в сжатый поток данных, и обратно. Обе стороны, участвующие в видеоконференции, должны использовать один и тот же тип кодека, однако большинство новейших пакетов включает как старые, так и новые кодеки. Каждый стандарт кодека имеет свой номер, но пользователям это малоинтересно. Важно лишь знать, что они различаются качеством сжатия.

В семейство Н.320 входят стандарты, определяющие основные требования к аудио- и видеохарактеристикам систем видеоконференций. Качество передаваемого изображения определяется двумя базовыми параметрами - разрешающей способностью изображения и частотой передачи кадров. Н.320 задает два формата разрешения - CIF (Common Intermediate Format; 352х288, где первое число означает количество пикселов в строке, а второе - количество строк в кадре) и QCIF (Quarter Common Intermediate Format; 176х144). Для достижения интероперабельности система, поддерживающая CIF, должна снизить свою разрешающую способность при соединении с системой с разрешением QCIF. Допустимая частота кадров в системах, соответствующих Н.320, составляет 7,5, 10, 15 или 30 кадров/с.

В Н.320 входят три стандарта, регламентирующих уровень качества аудиопередачи:

§ G.711 (ИКМ) - передача звука со скоростью 64 кбит/с в полосе стандартного телефонного канала (до 3,4 кГц);

§ G.722 (АДИКМ) - передача звука со скоростью 48 кбит/с в полосе до 7 кГц. Обеспечивается самое высокое качество звука, в том числе стереозвучание;

§ G.728 (CELP) - довольно качественная передача звука со скоростью 16 кбит/с в полосе до 3,4 кГц.

Стандарт Н.323 регламентирует проведение видеоконференций в локальных и глобальных сетях с помощью линий связи с негарантированным сервисом. Стандарт Н.324 предназначен для систем на базе аналоговых телефонных линий.

Стандарт Н.323 определяет, как должны функционировать мультимедийные терминалы в сетях с передачей пакетов, не гарантирующих качества сервиса, - другими словами, как проводить телеконференции по локальным и внутрикорпоративным сетям или сети Internet. Комплект стандартов Н.323 охватывает такие области, как передача аудио, информационные телеконференции, мультиплексирование и реверсивное мультиплексирование, управление. Стандарты Н.323 не связаны с протоколом IP, однако, по-видимому, большинство реализаций Н.323 будет основано на этом протоколе ввиду его широкого применения в средах корпоративных сетей. Продукты на базе стандартов Н.323 скоро поступят на рынок. Ожидается, что они быстро заменят собственные технологии других фирм для проведения телеконференций по локальным сетям и Internet. Многие производители, в том числе корпорации Intel (в семействе продуктов ProShare) и Microsoft (в продукте NetMeeting), согласились поддерживать стандарт Н.323. Подразделение ITU-T организовало ряд тестирований, чтобы убедиться в стыкуемости разнородных продуктов, совместимых с Н.323.

В стандарте Н.323 в качестве аудиовизуальной среды используется протокол User Datagram Protocol (UDP), а в качестве информационной - протокол TCP. Протокол UDP менее надежен, чем ТСР, однако вносит меньшие задержки, что делает его более подходящим для передачи аудио- и видеопотоков. Временная синхронизация и управление дрожанием - именно те факторы, которые определяют возможность или невозможность проведения видеоконференций. При отсутствии, например, временной синхронизации возможны усиление дрожания и увеличение интервала между кадрами во время конференции. Потери некоторых пакетов не так уж разрушительны до тех пор, пока может быть восстановлена синхронизация. Проведение конференций по стандарту Н.323 основано на протоколе Real Time Protocol (RTP), функционирующем поверх UDP, который обеспечивает синхронизацию аудио и видео. Действие протокола RTP сводится к присваиванию каждому исходящему пакету временных меток. На приемной стороне синхронизирующие соотношения восстанавливаются. Имеет место некоторая задержка - длительностью до одной четвертой секунды, - однако временные метки пакетов указывают на то, в какой последовательности их необходимо воспроизводить. Это позволяет восстановить пакеты даже при наличии дрожания или рассогласовании синхронизации, вызываемых сетью.

Учитывая, насколько важна совместная работа с документами, МСЭ разработала стандарт Т.120, поддержка которого обеспечивает совместимость оборудования различных производителей. Вспомогательная серия стандартов T.120 охватывает конференции данных (совместное использование документов или приложений), а также аудио- и видеоконференции (серия стандартов H.32x относится только к видеоконференциям, но не к конференциям данных). Большинство видеоконференций так или иначе предусматривают поддержку разделяемой "грифельной доски" или совместного использования приложений. Поддерживающие стандарты T.120 системы конференций, как правило, совместимы друг с другом.

Многие системы видеоконференций включают в себя собственное ПО, совместимое с Т.120, либо опираются на чисто прикладную систему видеоконференций Microsoft Net-Meeting, удовлетворяющую данному стандарту. Интересно отметить, что Microsoft поставляет ПО NetMeeting вместе со своим Web-браузером Internet Explorer и планирует сделать его базовым компонентом будущих версий ОС Windows. Если эти планы будут реализованы, данная система имеет шанс стать стандартом де-факто для совместной работы над документами в процессе проведения персональных видеоконференций, которые, как правило, базируются на Windows.

8.3. Стандарты компресcии/декомпресcии видеоизображения

Системы видеоконференций базируются на достижениях технологий средств телекоммуникаций и мультимедиа. Изображение и звук с помощью компьютера передаются по каналам связи локальных и глобальных вычислительных сетей. Ограничивающими факторами для таких систем будет пропускная способность канала связи и алгоритмы компрессии/декомпрессии цифрового изображения и звука. Предположим, мы имеем неподвижную картинку (кадр) на экране компьютера размером 300х200 пикселов с глубиной цвета всего 1 бит/пиксел. На запись такого изображения потребуется 60 Kбайт. Скорость смены кадров в телевизоре составляет 25 кадров/с, в профессиональном кинопроекторе — 24 кадра/с. Нам бы хотелось получить такую же частоту смены кадров размером 60 Kбайт каждый при сеансе связи в системе видеоконференции. Для этого наш канал связи должен обеспечить пропускную способность 1,5 Mбайт/с. Ни один современный канал связи такой пропускной способности за разумную цену не обеспечивает, поэтому возникает проблема сжатия видеосигнала. На сегодня известны два основных типа алгоритмов сжатия видеоизображения — алгоритмы сжатия без потерь и алгоритмы сжатия с потерями. Алгоритмы сжатия с потерями позволяют добиться очень высокой степени сжатия изображения, такой, что даже по низкоскоростным каналам связи можно передавать изображения с незначительной потерей качества, практически незаметной для человеческого глаза. Выполнение таких алгоритмов требует достаточно больших вычислительных мощностей. Для достижения приемлемых частот смены кадров на экране монитора требуется дорогостоящее аппаратное обеспечение, называемое кодек. Концепция настольных видеоконференций предполагает возможность доступа к телеконференциям с любого, даже домашнего, компьютера. Использование дорогостоящего оборудования CODEC идет вразрез с этой концепцией, что заставляет создателей аппаратуры систем видеоконференций прибегать к разумным компромиссам. Декомпрессия изображения требует меньшей вычислительной мощности, чем компрессия, поэтому некоторые производители используют аппаратные средства для компресcии данных, а декомпрессия осуществляется программно.

Стандарт JPEG и его производные

Стандарт JPEG (Joint Photographic Experts Group, группа экспертов по фотографическим изображениям) является стандартом ISO (International Standards Organization, Международная организация по стандартизации). Этот стандарт поддерживает компрессию как с потерями, так и без потерь. Однако если термин "формат стандарта JPEG" употребляется без каких-либо оговорок, то обычно это означает, что подразумевается компрессия с потерями. Сжатие изображения по методу JPEG предполагает преобразование блоков изображения в реальном цвете размером 8х8 пикселов в набор уровней яркости и цветности. К каждому блоку применяется двумерное дискретное преобразование Фурье, в результате чего получается набор из 64 коэффициентов, представляющих данный блок. Затем коэффициенты квантуются с помощью таблиц компонентов яркости и цветности, после чего информация о блоке упаковывается в коэффициенты, соответствующие меньшим частотам. В результате получается представление коэффициентов в двоичном виде. Этот метод обеспечивает сжатие изображения в пределах от 10:1 до 20:1 при приемлемом качестве. Основное назначение формата JPEG с потерями - получение фотографических изображений высокой степени сжатия при незначительных видимых потерях качества. Формат MJPEG, или Motion JPEG (JPEG для подвижных изображений) стандартом ISO не является.

Тем не менее, так принято называть цифровой видеосигнал, представляющий собой последовательность изображений, сжатых с потерями в стандарте JPEG.

На рис. 1 представлена организованная в удобной для понимания форме группа форматов цифрового видео, использующих алгоритм сжатия с потерями, в основе которого лежит метод JPEG. Данная модель дает хорошее представление о повышении сложности, увеличении степени сжатия и улучшении четкости изображения при переходе от формата JPEG к H.261 и далее к MPEG. Cтандарт MPEG-1 является подмножеством стандарта MPEG-2.

Стандарт Н.261 разработан организацией по стандартам телекоммуникаций ITU (Международный союз телефонной связи), которая раньше называлась CCITT (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии). На практике, первый кадр в стандарте H.261 всегда представляет собой изображение стандарта JPEG, компрессированное с потерями и с высокой степенью сжатия. Последующие кадры строятся из фрагментов изображения (блоков), либо JPEG-подобных, либо фиксирующих отличия от фрагментов предыдущего кадра. Последовательные кадры видеоряда, как правило, очень похожи друг на друга. Поэтому стандарт Н.261 чаще всего используют в телеконференциях. Код, задающий перемещение части изображения, короче кода аналогичного фрагмента в стандарте MJPEG, то есть требует передачи меньшего количества данных. Поэтому при определенном значении пропускной способности линии связи изображение в формате H.261 зрительно воспринимается более качественным, чем изображение в формате MJPEG. Различия кадров всегда кодируются исходя из предыдущего кадра. Поэтому данная методика получила название "дифференциация вперед" (forward differencing). Итак, изображение в формате H.261 передается меньшим количеством данных, и, кроме того, для декодирования такого изображения требуется меньше вычислительной мощности, чем для декодирования видеопотока в формате MJPEG при аналогичном качестве.

Спецификация MPEG (Motion Picture Experts Group, Группа экспертов по подвижным изображениям) предлагает еще более изощренную, чем стандарт H.261, методику повышения качества изображения при меньшем объеме передаваемых данных, реализованную в стандартах MPEG-1 и MPEG-2. Помимо дифференциации вперед, стандарт MPEG-1 обеспечивает дифференциацию назад (backward differencing) и усреднение (averaging) фрагментов изображения. Даже на CD-ROM c одинарной скоростью передачи данных (1,2 Мбит/с) MPEG-1 позволяет добиться качества, сравнимого с качеством кассеты VHS, записанной на профессиональной аппаратуре. Кроме того, MPEG-1 нормирует кодирование аудиосигнала, синхронизированного с видеосигналом.

Стандарт MPEG-2 полностью перекрывает стандарт MPEG-1 и содержит новые, более строгие нормы, ориентированные на требования телевизионного вещания. Например, он поддерживает чересстрочную развертку, как в аналоговом телевидении. Широкое распространение стандарта MPEG-2 способно привести к цифровой революции в области видео, которую давно ожидают и которая будет сравнима с цифровой революцией в области аудио, свершившейся в последнее десятилетие.

 

Так, формат JPEG лучше всего применять для неподвижных изображений, а также для видеомонтажа, если требуется высокая точность монтажа отдельных кадров. Стандарт MPEG годится для видеопродукции, потребитель которой ждет качества изображения, сравнимого с качеством изображения на бытовой аналоговой видеокассете: компьютерных обучающих материалов, игр, кинофильмов на CD, а также видео по требованию (video on demand). Для видеоконференций на сегодняшний день чаще всего используется стандарт H.261, так как для них не требуется видеоизображения очень высокого качества.