プロフェッショナル用 非圧縮ビデオ・プロセッシング・システム

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Video Explorer II by Intelligent Paradigm

 

Video Explorer II技術解説レポート

2000-3-21

尾上泰夫

 

 

ビデオプロダクションの道具としてコンピューターが登場して以来、多くの製品が登場してきたが、Video Explorerほど放送用システム開発の自由度の高いビデオボードは珍しい。

Video Explorer IIは、1990年に発表されハイエンド・デジタルビデオ制作用ビデオボードとして業界をリードした旧インテリジェント・リソーシス社の「Video Explorer」のアーキテクチャを継承し、ビデオ入出力、フレームバッファリング、そしてリアルタイムビデオ処理機能を持った米国インテリジェント・パラダイム社のビデオ・プロセッシング・システムだ。

Video Explorer IIにより、従来は高価な専用システムやワークステーションでなければ実現できなかった様々な高品質ビデオ処理をPCプラットフォーム上でリアルタイム処理が実現出来る。

1999年春のNABでMSIC(Market Specific Integrated Circuits)理論を実践したチップを発表して、冬のInterBeeにはそのチップを採用したボードを完成した。

MSICとはインテリジェント・パラダイム社が開発したビデオ処理に特化され、且つ各々の処理に合わせてチップ内部の構造を変更可能な半導体技術だ。これまでのASIC(Application Specific Integrated Circuits)やDSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)と比較し、低コストで高性能、更に様々なビデオ処理に対応可能な画期的な半導体技術だ。しかもピクセルクロックが最大80MHzまで対応出来ることにより、非圧縮高精細テレビ(HDTV)信号までリアルタイム処理が可能だ。

MSICは今後のデジタル・テレビ放送開始に合わせて普及及び導入が予想される、デジタル家電製品やプロ仕様の放送機器に求められる高性能・低価格を実現するほか、HDTV、ビデオ・ゲーム、テレビ会議、PCを使用したマルチメディア、コンピュータグラフィックス、画像圧縮前後の補正処理、フィルタリング、及びセットトップボックスといった様々なアプリケーション向けに柔軟に対応できるようチップ内の仕様を再構成することができると同社 CEOのGeorge Sheng氏は語る。

今回は世界に4枚しかない貴重なプロトタイプのボードの1枚を試用する機会に恵まれたので、そのレポートをお届けする。

アプリケーションの完成した製品ではないので、開発者である米国インテリジェント・パラダイム社のスタッフとのインタービューを交えて、Video Explorer IIが生み出す未来を垣間見たいと思う。

Video Explorer IIはMacintosh、Windows及びLinuxプラットフォームのPCIバスに接続されるベースボードと、複数のドーターボードを組み合わせるシンプルなシステムだ。

ビデオルーティング回路を搭載したマザーボードと、各種ビデオフォーマット(アナログ (Composite, Component)、シリアルデジタルコンポーネント、シリアルHDTV(予定))をサポートするドーターボードとフレームバッファにより構成される。

アナログからデジタル、そしてHDTVまでをサポートする事により、今後の放送/映像のデジタル化への移行を低コストで実現可能だ。Video Explorer IIには、インテリジェント・パラダイム社が開発し提唱するリコンフィグラブル・シストリック・ビデオ・プロセシング・チップ「MSIC」ベースのカスタムLSIが搭載されており、非圧縮ビデオストリームに対する様々なビデオ処理をリアルタイム処理が可能で、プロフェッショナルユーザに不可欠な高度なビデオタイミング調整も可能だ。

高いビデオプロセッシング性能を持つVideo Explorer IIは各種ビデオ形式、解像度、データワードサイズ、及びタイミングをサポートしているため、今後の映画や放送など高品質映像を扱うプロフェッショナルユーザには不可欠な製品だという。

更に独自開発の高速ビデオインターコネクト「MediaBahn(メディアバーン)」により、同一コンピュータ上で複数のVideo Explorer IIシステムの構築や各種サードパーティー製高機能ボードが接続可能で、様々な用途に対応出来る拡張性を持ったビデオ・プロセッシング・システムだと開発に携わるDavid R. Powell氏は力説する。

Media Bahnとは放送/映像業界において、実績と定評のある旧インテリジェント・リソーシス社のVideo Bahn (ビデオバーン)の技術を継承したビデオ専用のハイスピード・ビデオ・インターコネクトだ。通 常のコンピュータバスとは違い、ビデオ信号をタイムスロット方式により高速にビデオ信号を転送する事が可能で、非圧縮ビデオデータ(4:4:4:4 10bit)を最大で3ストリームまで同時双方向転送が可能だ。Media BahnによりMSICチップ間または各ボード間の接続が可能だ。インテリジェント・パラダイム社では今後Media Bahnのインターフェイスの公開も予定しており、サードパーティー各社によって様々な高性能/高機能ボードが接続される可能性を持っている。

ソフト環境についても、放送システムとして従来のスポーツコーダーを始め、キャラクタージェネレータ、バーチャルスタジオシステムなどの分野でVideo Explorer IIを利用すればこそ可能な開発もあり、重宝されることだろう。

Video Explorer IIは、標準の各放送ビデオフォーマットをサポートしているため、ビデオ・ディスプレイ・ボードとしても機能する。

また、以下に示すモードや機能も標準でサポートしている。

●フェード、ワイプ、ブレンド、キー等の特殊効果

●ディジタル・ビデオ・エフェクト

●外部のライブ・ビデオ・ソースとの同期(GENLOK

    • MediaBahnTMインタフェースによる他の高性能ビデオボードとのリンク

現在Video Explorer IIは、アップルコンピュータ社のOS9上でQuick Time 4ソフトウェアをサポートしており、平行してWindowsNT_2000とLinuxプラットフォームへの対応も準備していると言う。

稼動すれば、高価なワークステーションパワーを用いなくても、デジタル・エフェクト(DVE効果 )、フレーム・キャプチャ、キャラクタ/テロップ生成、画像編集/合成、フィルタリング、カラースペース変換等を行う各種アプリケーション・ソフトウェアによる様々なビデオ処理に対してリアルタイム処理が可能になる。

更にライブ・ビデオ・ソースやコンピュータ・グラフィックス等をリアルタイムで組み合わせることができるほか、一つのVideo Explorer IIで複数のビデオ効果を同時生成することや、様々なデジタルビデオフォーマットの変換、カメラ、コンピュータ,ビデオ信号等の表示・記録といった、複数ライブ・ビデオを使用するプロフェッショナル用ビデオ・システムに容易に統合することが可能だ。

静的ビデオ(スタティックビデオ)は、コンピュータ・グラフィックス・プログラムやカメラ、VTR等の外部ビデオソースからVideo Explorer IIへ入力された一つのビデオイメージを意味する。このビデオイメージは静止画またはフリーズフレーム(コマ止め画像)として表示され、Video Explorer IIによって処理され、標準のコンピュータベースの画像フォーマットでディスクに保存することができる。これらの画像は、最高24ビットのカラー解像度(最高1,670万色)で、Video Explorer IIからコンピュータ画面 に直接表示することができる。Video Explorer IIは、最高1ピクセル当たり64ビットのビデオ処理が可能だ。

動的ビデオ(ダイナミックビデオ)は、カメラ、VTR、ビデオディスクプレーヤー、その他MediaBahnソース等の外部ビデオソースから連続で捕捉される入力されるビデオソースだ。Video Explorer IIは、NTSCPAL、及びSECAMタイミング規格に対応するビデオフィールドとフレームレートで、動的ビデオを入力する。

ビデオストリームがVideo Explorer IIシステムを通 過する時、各デバイスにリアルタイム出力(モニターへの表示、フレームバッファへの入力、VTR等への出力)する前に、強力なビデオプロセッサ(MSIC)により各特殊効果 処理をリアルタイムに行う。

ホストコンピュータとの間で非圧縮ビデオデータのリアルタイム入力を要求されるアプリケーションでは、Video Explorer IIのフレームバッファを使用し、オンボードDMAエンジンを介してビデオフレームを個別 にホストコンピュータへ入力する。非圧縮ビデオデータの再生もこれと同じ方法で実現される。フレームバッファによるビデオストリームの再生は、Video Explorer II内の全てのビデオストリームとリアルタイムで組み合わせることができる。

THE VIDEO EXPLORER II BOARD

Video Explorer IIの物理的特性、基本的なシステム構成、及びインタラクティブ機能について見てみよう。

Video Explorer IIはコンピュータの1つのPCIスロットを使用し、1枚のマザーボードと2つのモジュールで構成されている。ボードの前段にあるドーターボードモジュールはビデオ入出力に使用され、ボードの後段のモジュールはフレームバッファとして使用されている。

Functional Blocks

Video Explorer IIは複数のファンクションブロックとして動作する。これらのファンクションブロックは、ビデオメモリからのビデオ・ストリーム・データの読み込み、色の変化やブレンディング等の高度なビデオ効果 の生成等、各種動作を実行する。また、このVideo Explorer IIは、直接ビデオに対して動作するのではなく、他のファンクションブロックの動作を制御するファンクションブロックも特長として備えている。

機能ブロックには以下のブロックが含まれる。

I/O Connections

Video Explorer IIボードの下端に位 置しているPCI InterfaceはコンピュータのPCIスロットに接続する。PCIインタフェースはコンピュータシステムとの全ての通 信経路を提供する。例えば、コンピュータは、グラフィックスやソフトウエアの命令をこのPCIインタフェース介してVideo Explorer IIカードに転送する。

Video Explorer IIボードの上端に位 置しているMediaBahnコネクタは、複数のVideo Explorer IIカード、他のMediaBahn互換ボード、及びMediaBahnインタフェースをサポートする外部機器との相互接続を可能にする。このコネクタは、MediaBahnインタフェースを介してPCIカード間の高速ディジタルデータ転送を容易にする。MediaBahnデータバスとMediaBahnデータフォーマットについては、インテリジェントパラダイムの別 の資料で解説する。

I/O Daughterboardコネクションは、ドーターボードがVideo Explorer IIボードのコンポーネント側と直接接続する部分だ。このI/Oドーターボードは、現在Analog ComponentAnalog Composite、またはSerial Digital Componentのビデオ入出力が可能だ。ドーターボードは外部同期信号(GENLOK信号)によって複数のビデオ機器を同期できる。コンピュータの後部パネルから伸びるカスタム設計のビデオケーブルは、ビデオカメラ、レーザディスクプレーヤー、ビデオモニタ、及びビデオ・テープ・レコーダ(VTRs)等の外部ビデオソースに接続する。IEEE-1394FirewareTM)とSerial HDTVをサポートする入出力ドーターボードも2000NABで発表する。

Framebuffer and Feature Module Connections

Video Explorer IIボードには、ビデオ入出力以外に機能拡張用の2つの接続部がある。これらは、フレームバッファ及びフィーチャーモジュール接続と呼ばれる。これらの接続部によって、プラグインモジュールの装着が可能になる。これらの接続部に接続されたモジュールは、サイズも同一で電気的にも等しいものだ。

現在、フレームバッファモジュールは、ホストコンピュータの主記憶とは独立して、ビデオ・ソース(静的及び動的)用のディジタル画像データ格納用に32 MBメモリを搭載している。Video Explorer IIのフレームバッファメモリは、イメージキャプチャー、画像表示、リアルタイム・ビデオ・エフェクト、そして最高64ビット/ピクセル(コンポーネント当たり16ビットの精度)の表示モード機能をサポートしている。なお、32ビット/ピクセルを超えるデータにアクセスするには、特別 なアプリケーションが必要だ。

Video Routing Circuit

Video Explorer IIは、パス操作の目的と同じ方法で、静的及び動的ビデオを取り扱う。オペレーション上は、Video Explorer IIは、ソフトウエアによって制御される一つのルーティング回路によって相互接続された機能ブロックの集合体だ。Video Explorer IIの構成可能なアーキテクチャは、ほとんど全ての構成において機能ブロックを再配置することができる。つまり、機能ブロックを必要に応じて割り当て、接続することを可能にしている。

このビデオルーティング回路は、Video Explorer IIボード上の各種機能ブロックに接続を提供する汎用インターコネクト機器だ。このルーティング回路は、ビデオソースの相互接続を実現するために、MediaBahnの概念を採用している。任意の2本のMediaBahnパス(wideまたはnarrow)間を接続することによって、実質的にいかなる配列にも対応できる。

この柔軟な設計が洗練されたビデオ効果 を可能にしている。Video Explorer IIが提供する全てのモード、機能、及びビデオエフェクトは、設計者が最初に可能だと考えたよりも多くのパスの組み合わせが存在するので、システムを開発するデベロッパーと共同で拡張を考えていく予定だ。

MediaBahn Paths

Video Explorer IIのルーティング回路は、ビデオストリームを定義するために多くのMediaBahnパスを活用している。これらのパスは、ビデオストリームを1つの機能ブロックの出力から、他の機能ブロック(1つまたは複数)へ入力接続する。

Video Explorer II上で使用される規約は、1つのビデオストリームを1つのパスのタイムスライス(1つまたは複数)を占有することと定義している。代表的なビデオストリームは次の成分で構成される。

Y luminance (or green) component

U (or B-Y or blue) component

V (or R-Y or red) component

transparency or alpha component

YU、及びV成分は、コンポーネント・ビデオ・データを含み、アルファ成分は、トランスペアレンシー(透明データ)を含んでいる。3つの成分しか持たないパスは、アルファ成分が存在しない時以外は、4つの成分を持つパスと同じだ。

Video Explorer IIRGBカラーに限らず、成分はYUVまたは別 の非RGBカラースペースの場合もある。同様に、サンプリング速度も4:4:4:4である必要はなく、4:2:2:4等でも構わない。異なるタイプのビデオストリームはルーティング回路を通 って取り込まれ、異なったストリームを使った処理を可能にするMSICにかけられる。

Line Buffers

ラインバッファは、水平ラインを遅延(1本または複数本)させるために使用する。これはフィルタ処理において垂直成分のために主に使用されるが、特殊効果 処理にも使用することができる。

Pixel Clock Distribution

Pixel Clock Distribution回路はVideo Explorer IIボードにピクセルクロックを提供する。

Local Bus

ローカルバスインタフェースは、ホストプロセッサとVideo Explorer IIボード上のファンクションブロック間の主要インタフェースだ。

MSICs

Video Explorer II内の最も強力なファンクションブロックの1つがMSICMarket Specific Integrated Circuit)アレイだ。このMSICアレイは、Video Explorer IIがピクセル速度におけるリアルタイム・ビデオ処理を実行するために使用する3つのカスタムMSIC処理チップで構成されている。MSICアレーは、ビデオストリーム上で、変換、ブレンド、フィルタリング、及びこれらの動作の切り替えを実行する。

MSICは、入力部、出力部、及びコアプロセッサで構成される。入力部では、取り込まれたデータストリームを処理するために共通 のデータフォーマットに変換され、他の取り込まれたストリームと同期する。この入力部は最高4つのビデオストリームを同時に処理する。これらのストリームの全てが共通 のフォーマットの場合には、それらはコアプロセッサに送られる。コアプロセッサは汎用処理エンジンで、多くの異なる処理タスクを実行できるよう構成されている。この処理の結果 は、その後で指定されたビデオフォーマットに再度変換される出力部へ送られる。

SYSTEM PERSPECTIVE

Video Explorer IIはソフトウエアにより様々な処理が可能なディジタル・ビデオ・エンジンで、特殊効果 生成、フレーム・キャプチャー、キャラクター・ジェネレーション、画像編集、2D及び3Dモデリングとレンダリング、アニメーション等をサポートする各種アプリケーションソフトウェアによって機能する。コンピュータと共に使用することで、1枚のVideo Explorer IIボードは、ライブ・ビデオ・ソース、コンピュータグラフィックス、及びコンピュータアニメーション等をリアルタイムでデジタルデータとして組み合わせることができるのだ。

Video Explorer IIは、1枚のボードセットで、複数のビデオ効果 を同時に生成することが可能で、放送品質のビデオを制作するためのビデオカメラ、コンピュータ、ビデオ信号等を表示/記録するなど、複数ライブビデオを使用するプロフェッショナル用ビデオシステムに容易に統合することができる。

また複数枚のMediaBahn対応ボードを相互に接続すれば、システム内で各ボードが別 のボードにビデオ効果を渡すことができるため、より精巧なビデオ効果が実現できる。

従って、複数枚のボードを使用したシステム用に設計されたアプリケーションは、Video Explorer IIのパワーを十分に生かし、柔軟性を持たせる事が可能だ。

今後はアプリケーションデベロッパーとの連携を強固にして優れたシステムの基盤となることを期待すると共に、Linux対応からオープンソースへのドライバー開発と、普及に拍車がかかることを願ってやまない。

取材協力:インテリジェント・パラダイム社 日本事務所  03-5684-7585

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このページは、DreamCraft Staffが2000年3月21日 16:21に書いたブログ記事です。

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