|
Bog BOS: hardware: Оцифровка телевизионного сигнала платами на основе Bt848/Bt878 (Linux) |
Последнее изменение файла: 2007.12.05
Скопировано с www.bog.pp.ru: 2024.11.21
Серия микросхем Brooktree (Rockwell Semiconductor, Conexant) Bt848/Bt878 используется для оцифровки непрерывного телевизионного сигнала, обработки цифрового видеосигнала, аналогового и цифрового аудиосигнала в составе PCI плат видеозахвата и ТВ тюнеров большинства производителей.
Оборудование изучалось не с целью написания драйверов video4linux, а чтобы понять почему получается такое низкое качество видеозахвата ;)
Предварительно рекомендуется ознакомиться со статьёй об аналоговом телевизионном сигнале.
Если у вас видеокарта с TV-In на базе GPU от NVIDIA, то вам сюда (rivatv).
Аналоговое видео обрабатывается всеми микросхемами семейства примерно одинаково.
Микросхемы 848A и 849A могут вводить через GPIO видео с цифровой камеры - CCIR 656, SMPTE-125, ByteStream. Они также могут обходиться одним внешним генератором частоты для NTSC и PAL/SECAM (используется встроенная схема PLL для преобразования опорной частоты).
Микросхема Bt878 имеет мультиплексор 3:1 для ввода аналогового звука (TV, FM, MIC) и его оцифровки, а также интерфейс цифрового аудио с последующей передачей по шине PCI через отдельный DMA канал.
Микросхема Bt879 дополнительно имеет DBX стереодекодер и декодер стерео передач FM радио.
Устройство подключается к шине PCI 2.1 (32 бита, 33.3 MHz, +5 V, INTA) в режиме bus master и использует каналы DMA для прямой передачи в ОП или видеобуфер графического контроллера (Bt878/Bt879 имеют дополнительный DMA канал для передачи звука).
Vendor ID = 0x109E Device ID = 0x350 (Bt848/Bt848A) Device ID = 0x351 (Bt849A) Device ID = 0x36E (Bt878) Device ID = 0x36F (Bt879)
Аналоговое видео может подаваться на 1 из 4 входов мультиплексора (3 для Bt848) композитного видео ("тюльпан") в стандартах NTSC/PAL/SECAM (о наличии нескольких различных модификаций SECAM разработчики не знали, о наличии двух опорных частот цветности они узнали к моменту разработки Bt878, но на практике явно не успели использовать полученное знание). Возможно автоматическое распознавание NTSC и PAL/SECAM (по числу строк в кадре) для выбора генератора частоты, но не для настройки регистров. На один из входов может подаваться сигнал яркости (Y) от S-Video, в этом случае композитный сигнал цветности (C, UV) подается на отдельный вход. Для оцифровки сигнала цветности используется отдельный АЦП.
Оцифровка производится с использованием внешнего генератора сигнала на частоте CLKx2 = 8*Fsc (28.64 MHz для NTSC и 35.47 MHz для PAL) с неуказанной разрядностью (судя по разрядности VBI - всего 8 бит). Оцифрованный сигнал пропускается через низкочастотный фильтр и прорежается до CLKx1 (14.32 MHz или 17.73 MHz). Все дальнейшие алгоритмы (фильтрация, демодуляция) производятся в цифровом виде.
Композитный сигнал (уже оцифрованный!)
В одном месте сказано, что значения регистров насыщенности для U и V определяют коэффициенты для умножения исходных значений U и V, в другом месте - регистры определяют коэффициенты для добавления. Судя по результатам - гребенчатый вид гистограммы - происходит умножение. video4linux определяет единый коэффициент умножения для U и V. Чтобы иметь 100% U его надо установить равным 32512. Коэффициент расчета множителя для V в драйвере bttv неверен - 201/237 вместо 180/254, так что получить 100% V не удастся никак (исправлено в серии 0.8, но когда она будет в поставке неизвестно; я backport-ировал, пользы не заметил ;). Последовательность настройки контраста и яркости в документации не упоминается.
Имеется автоматический (отключаемый) контроль уровня сигналов цветности по контрольным сигналам (встраиваются в строчный гасящий импульс), ±6 dB (вычисленный коэффициент - от 0.5 до 2 - используется для умножения U и V). Имеется автоматический (отключаемый) контроль наличия цвета в изображении (при отсутствии цвета U и V обнуляются). Возможно приравнять к черному сигнал с яркостью ниже определенного уровня (8, 16, 32). Выходные значения яркости могут быть в общепринятом ограниченном диапазоне (16-253) или полном (0-255). Выходные значения цветности в интервале от 2 до 253. На практике у меня получились следующие значения:
Для того, чтобы получить фиксированное число пикселов из строки переменной длины (входной сигнал с VCR имеет вариации между сигналами горизонтальной синхронизации в несколько микросекунд) используется алгоритм UltraLock, который интерполирует переменное число отсчетов на частоте CLKx1 в требуемое число отсчетов (определяется коэффициентом масштабирования по горизонтали).
Аппаратное масштабирование производится по горизонтали (с интерполяцией, яркость по 6 точкам, цветность - по двум) и по вертикали (яркость по 2 точкам, цветность просто усредняется). Ходят слухи, что масштабирование по вертикали искажает цвета - буфер маловат для хранения нескольких строк. По-моему, масштабировать по вертикали с помощью этого устройства вообще не стоит (даже если масштабировать 2:1, то все равно замучаешься с бороться с эффектами черезстрочной развертки).
По стандарту в строке (NTSC - 63.5 мкс, PAL - 64 мкс) помещается 910 (NTSC) или 1135 (PAL) пикселов для частоты CLKx1. При этом активная часть строки содержит 754 (NTSC) или 922 (PAL/SECAM) отсчета. Для квадратных пикселей их д.б. в строке 780 или 944 (12.27 MHz или 14.75 MHz), в активной части строки - 640 (NTSC) или 768 (PAL/SECAM). Коэффициент масштабирования задается как целое число (привожу значения только для PAL) отдельно для четных и нечетных полей
[(1135/число-отсчетов-на-всю-строку)-1]*4096 (правильный метод) или [(922/число-пикселов-в-активной-части-строки)-1]*4096 (приближенный метод)
Целочисленность приводит к небольшой ошибке округления. Эти методы расчета приводят к слегка различающимся результатам (828.7 для первого метода и 821.3 для второго. В действительности, для получения пикселов CCIR 601 и квадратных пикселов полного разрешения PAL/SECAM требуется установить
PAL CCIR 601 (720x576) -> HSCALE = 0x0504 PAL кв. пиксели (768x576) -> HSCALE = 0x033C
При фирменных расчетах предполагается, что при квадратных пикселах полная строка будет составлять 944 отсчета, однако 768*1135/922 = 945.4. Длина строки PAL - 64 мкс, активная часть - 51.95 мкс, при частоте оцифровки 17734475 получается 1134 отсчета на всю строку и 921 на активную часть.
В драйвере bttv почему-то используется 924 вместо рекомендуемых 922, а целочисленное преобразование числа пикселов в активной части в число отсчетов на всю строку, что приводит к слегка другому числу. Я поменял 924 на 923 - так получается правильный коэффициент для квадратных пикселов. На практике оказалось, что ширину захвата можно устанавливать с шагом 16 до 864.
Ultralock и масштабирование - это единый процесс, причем он происходит после настройки яркости, контраста и насыщенности. К сожалению, масштабирование U и V происходит очень грубо (по 2 точкам), что приводит к гребенчатому виду гистограммы, причем характер гребенки зависит как от насыщенности, так и от суммарного коэффициента масштабирования по горизонтали.
Обрезание кадра задается регистрами начала (относительно синхроимпульса с учетом предварительного масштабирования) и продолжительности активной области (пикселов после масштабирования) по горизонтали и вертикали. Полная строка имеет 1135 отсчетов, активная (видео) часть - 922 отсчета с задержкой 186 и хвостом в 27 отсчетов.
HDELAY = [(186/922)*число-пикселов-в-активной-части-строки] & 0x3FE
Задержка по вертикали задается в половинках строк. Задержку рекомендуется делать четной, чтобы избежать обмена четных и нечетных полей. Длительность по вертикали задается в строках до масштабирования. Коэффициенты обрезания задаются отдельно для четных и нечетных полей.
Далее производится децимация по времени.
После всех этих преобразований данные получаются в формате packed 4:2:2 YCrCb (YUY2 или UYVY после byte swap, в каждом байте хранится 4 бита Y, 2 бита U, 2 бита V: в последовательные 4 байта помещаются 2 отсчета яркости и по одному отсчету Cr и Cb для первой точки).
Чип может самостоятельно разделять кадр на поля и посылать их в отдельные области памяти (отдельные каналы DMA) в упакованном (packed) или плоском (planar) формате. В последнем случае Y, Cr и Cb пересылаются в отдельные области памяти.
Возможны следующие преобразования форматов (задаются отдельно для четных и нечетных полей, дополнительно возможен byte swap):
Для планарных форматов HACTIVE д.б. кратен 16.
Форматы YUV12 и YUV9 получаются простым прореживанием значений цветности, поэтому необходимо использовать при захвате комбинационный фильтр цветности.
При расчете требуемой скорости обработки при разрешении 768x576 (PAL RGB32 до 44 МБ/сек) необходимо учитывать, что пиковая скорость больше, так как активная часть кадра занимает меньше 1/25 секунды (надо вычесть холостой ход строки и кадра). Получается более 44 МБ/сек для RGB24. К тому же из строки можно сделать до 922 пикселей (у меня не получилось более 880 пикселов, в SECAM при ширине уже в 800 пикселов справа появляется зеленая полоса - не хватает места под цвета предыдущей строки!).
Буферизация пересылки достигается с использованием трех FIFO буферов. Размер FIFO (слово 36 бит: 32 бита данных и 4 бита состояния):
Состояния слова FIFO:
Максимальная задержка PCI шины до переполнения FIFO - 17 мкс для режима PAL 768x576x25 YUV 4:2:2.
DMA контроллер управляется RISC программой, которую создает драйвер устройства (отдельные программы для четного и нечетного полей). Команды содержат флажки начала и конца строки, которые должны соответствовать битам состояния обрабатываемого слова FIFO. Имеются следующие команды:
Интерфейс I2C (master, 99.2 kHz) позволяет управлять ТВ и FM тюнерами, расположенными на той же карте.
Интерфейс JTAG упрощает тестирование.
24-битный GPIO можно использовать для ввода или вывода потока цифрового видео или сигналов ИК пульта ДУ.
Захват VBI (Vertical Blanking Interval, телетекст) возможны в режимах Line Output Mode (строки 7-23 и 319-335 для PAL) и Frame Output Mode (вся активная видеообласть включая сигналы гашения и горизонтальной синхронизации). Оцифровка с частотой 8*Fsc (35.47 MHz для PAL), 8 бит. В принципе, так можно оцифровать весь сигнал и извлечь из него изображение программно, если хватит скорости процессора (сами разработчики рекомендуют этот метод для достижения "высокого качества").
Звуковое FIFO имеет размер 36x35 (2 16-битных отсчета или 4 8-битных и 4 бита состояния: начало пакетированных данных, начало строки, данные, конец строки, конец строки, конец нечетного поля).
Цифровой аудиовход - последовательный поток бит до 3.072 MHz, левый и правый канал по 16 бит. Пакетный цифровой аудиовход - 1 MB/s.
Почему-то изготовители плат на Bt878 не любят пользоваться возможностями микросхемы по обработке звука.
В качестве примера рассмотрим попавшую мне в руки плату AVerMedia TVPhone98/VCR (M168-V 0405AAL2, SECAM-D). На плате обнаружены:
Оцифровка звука не замечена, вместо нее сделан проходной кабель на звуковую плату. Генератор частоты для NTSC, преобразование частоты для PAL с помощью PLL.
Приемник сигналов ДУ можно использовать в любом приложении с помощью Lirc.
Для работы с устройством используется драйвер bttv в стандарте video4linux (v4l) или video4linux2 (v4l2). Red Hat Linux 7.2 (ядро 2.4.9) содержит версию 0.7.72, Red Hat Linux 8.0 (ядро 2.4.18) содержит версию 0.7.91. Имеются версии: 0.7.104 (ничего существенного для меня) и 0.9.5 (v4l2). Если в версии 0.7.72 тюнер неправильно опознавался (Philips PAL, вместо Philips SECAM), но работал, то в 0.7.91 автораспознается чеерез eeprom правильно, но не работает вообще. Приходится вручную указывать параметры модулей в /etc/modules.conf:
alias char-major-81 bttv # bttv options # gbufsize=0x105000 // 924*576*2, а то буферов иногда не хватает # card=41 // номер см. bttv.h; можно не указывать, если распознается само # combfiltr=1 // обязательно при захвате в формате YUV 4:2:0 (т.е. почти всегда) # lumafiltr=1 // использовать при композитном видеосигнале # chroma_agc=1 // использовать, если S-Video имеет несогласованные уровни options bttv gbuffers=30 gbufsize=0x105000 combfiltr=1 # номер тюнера см. tuner.h options tuner type=5 # список микросхем можно получить: modinfo tvaudio options tvaudio pic16c54=1 # I2C module options alias char-major-89 i2c-dev
Драйвер обеспечивает следующие устройства v4l (SUBCAPTURE так и появился)
/dev/video0
Interface name: BT878(AVerMedia TVPhone 98)
frame size from 48x32 to 924x576
signal sources: 3
audio subdevices: 4
flags:
CAPTURE
TUNER
OVERLAY
CLIPPING
FRAMERAM
SCALES
attached units (major, minor):
video: 81, 0
vbi: 81, 224
radio: 81, 64
audio: 81, -1
teletext: 81, -1
input source 0 capability
source name: Television
tuners: 1
flags: 3
TUNER (1)
AUDIO (2)
type: 1
TV (1)
norm: 0
PAL
/dev/vbi0
Interface name: bttv vbi
frame size from 0x0 to 0x0
signal sources: 0
audio subdevices: 0
flags:
TUNER
TELETEXT
/dev/radio0
Interface name: BT878(AVerMedia TVPhone 98)
frame size from 0x0 to 0x0
signal sources: 1
audio subdevices: 1
flags:
TUNER
tuner 0 capability
tuner name: Radio
freq range: 65.000000 - 108.000000 MHz
/dev/vtx обрабатывается через другой API
В дополнение к v4l обеспечиваются следующие ioctl:
videodev (Device registrar for Video4Linux drivers, используется bttv)
tuner, параметры:
debug
type
addr
tv_range
radio_range
pal
tvaudio (audio decoder + audio/video mux driver), параметры:
debug
pic16c54=1
...
bttv (bttv - v4l driver module for bt848/878 based cards), параметры
radio (default 0, карта поддерживает радио)
bigendian (byte order of the framebuffer, default is native endian)
fieldnr (0, считает поля и генерирует прерывания)
bttv_verbose (verbose startup messages, default is 1 (yes))
bttv_gpio (log gpio changes, default is 0 (no))
bttv_debug (0)
irq_debug (0)
gbuffers (2, число буферов - до 64, v4l API предусматривает только 32!)
gbufsize (2129920, чтобы влез кадр 924x576 RGB32, default is 0x208000)
combfilter (обязательно, если захват в режиме 4:2:0)
lumafilter (желательно, если ввод с VHS)
chroma_agc (enables the AGC of chroma signal, default is 0 (no))
adc_crush (enables the luminance ADC crush, default is 1 (yes))
video_nr (младший номер устройства)
radio_nr (младший номер устройства)
vbi_nr (младший номер устройства)
no_overlay
card (int, идентификатор карты)
pll (частота кристала: 0, 28, 35)
tuner (specify installed tuner type)
automute (mute audio on bad/missing video signal, default is 1 (yes))
autoload (automatically load i2c modules like tuner.o, default is 1 (yes))
gpiomask
audioall
audiomux
Также используются модули управления шиной i2c: i2c-core, i2c-proc, i2c-dev, i2c-algo-bit, eeprom (параметры этих модулей менять не советую).
Выдержка из журнала загрузки:
Linux video capture interface: v1.00 bttv: driver version 0.7.91 loaded bttv: using 30 buffers with 1044k (31320k total) for capture bttv: Host bridge is Intel Corp. 82845 845 (Brookdale) Chipset Host Bridge bttv: Bt8xx card found (0). PCI: Found IRQ 12 for device 02:01.0 PCI: Sharing IRQ 12 with 02:01.1 bttv0: Bt878 (rev 2) at 02:01.0, irq: 12, latency: 64, memory: 0xe0000000 bttv0: detected: AVerMedia TVPhone98 [card=41], PCI subsystem ID is 1461:0003 bttv0: using: BT878(AVerMedia TVPhone 98) [card=41,autodetected] i2c-dev.o: Registered 'bt848 #0' as minor 0 i2c-core.o: adapter bt848 #0 registered as adapter 0. bttv0: Avermedia eeprom[0x4871]: tuner=3 radio:yes remote control:yes bttv0: i2c: checking for MSP34xx @ 0x80... not found bttv0: i2c: checking for TDA9875 @ 0xb0... not found bttv0: i2c: checking for TDA7432 @ 0x8a... not found tvaudio: TV audio decoder + audio/video mux driver tvaudio: known chips: tda9840,tda9873h,tda9874h/a,tda9850,tda9855,tea6300,tea6420,tda8425,pic16c54 (PV951) i2c-core.o: driver generic i2c audio driver registered. i2c-core.o: driver i2c TV tuner driver registered. tuner: probing bt848 #0 i2c adapter [id=0x10005] tuner: chip found @ 0xc2 bttv0: i2c attach [client=Philips SECAM,ok] i2c-core.o: client [Philips SECAM] registered to adapter [bt848 #0](pos. 1). bttv0: registered device video0 bttv0: registered device vbi0 bttv0: registered device radio0 bttv0: PLL: 28636363 => 35468950 ... ok
По какому-то недоразумению, в драйвере bttv используются неверные коэффициенты для подсчета числа активных пикселов (924 вместо 922) и пересчета насыщенности V из U (201L/237 вместо 180L/254). При желании их можно поправить (невооруженным взглядом разница незаметна).
Процедура сборки модуля:
Исправления в bttv-driver.c (0.7.91):
строки 442-
/* before bog
{ 35468950,
924, 576, 1135, 0x7f, 0x72, (BT848_IFORM_PAL_BDGHI|BT848_IFORM_XT1),
1135, 186, 924, 0x20, 255},
*/
{ 35468950,
922, 576, 1135, 0x7f, 0x72, (BT848_IFORM_PAL_BDGHI|BT848_IFORM_XT1),
1135, 186, 922, 0x20, 255},
строки 464-
/* before bog
{ 35468950,
924, 576, 1135, 0x7f, 0xb0, (BT848_IFORM_SECAM|BT848_IFORM_XT1),
1135, 186, 922, 0x20, 255},
*/
{ 35468950,
922, 576, 1135, 0x7f, 0xb0, (BT848_IFORM_SECAM|BT848_IFORM_XT1),
1135, 186, 922, 0x20, 255},
строка 1618
/* before bog bt848_sat_v(btv, ((p.colour>>7)*201L)/237); */
bt848_sat_v(btv, ((p.colour>>7)*180L)/254);
На смену ветерану Bt878/879 пришли Conexant CX23880 и CX23881 (вырезана поддержка декодирования звука в системах BTSC dbx и EIAJ, как ненужная для европейского рынка). Основные улучшения: оцифровка видеосигнала с точностью 10 бит вместо 8, декодирование стереозвука в системах NICAM и A2 и оцифровка аналогового сигнала с тюнера (48 kHz, 16 bit), стерео ЦАП (90 dB SNR), разделение сигналов яркости и цветности производится с помощью многострочного адаптивного двумерного фильтра вместо примитивного вырезания по частоте, дополнительные входы и выходы для цифрового видео и аудиосигнала, распознавание Macrovision (к счастью, всего лишь взводится флаг), ACPI. Подтвердить наличие 10 бит невозможно, так как наружу выводятся только 8 (ну вы помните историю со сканерами ;), но новый алгоритм действительно позволяет более качественно обрабатывать сигналы SECAM, хотя некоторое пренебрежение всё же чувствуется.
По неизвестным мне причинам паяльщики PCI плат видеозахвата "не жалуют" эти чипы. Даже AverMedia выпустив AverTV Studio 303/305 на CX23880/81 довольно быстро перешла на Philips 7130/34 (AverTV Studio 305/307). Драйвера v4l2 для CX23880 находятся в зачаточном состоянии и к использованию непригодны.
Зато Philips выпустил серию SAA7130HL/SAA7134HL (АЦП - 9 бит, более "правильная" обработка SECAM, декодирование стереозвука в системах NICAM и A2 и оцифровка аналогового сигнала с тюнера 32 кГц), на которой и выпускаются все современные PCI платы типа TV/FM тюнеров: AverTV Studio 305б AverTV Studio 307 ($63/$73), ASUS TVFM 7134, Leadtek WinFast TV2000 expert. Однако основная масса делается на каком-то одном и том же безымянном китайском заводе, затем продаётся в разной комплектации и с разными наклейками под именами типа Animation LifeView FlyVideo 2000/3000FM (Fly TV Prime 34 FM). SAA7130hl/SAA7134hl позволяет оцифровать только 720 отсчётов в видимой части строки.
Были попытки использовать в платах ТВ-тюнеров так называемые "силиконовые тюнеры" Microtuner MT2032, MT2052 (MSI-8606), Philips TDA827x, но жалобы потребителей на проблемы с каналами на частотах выше 500 MHz заставили свернуть эту программу, так что лучшим (из доступных) до сих пор считается Philips 1256ME MK3.
В связи с переходом телевидения от аналогового к цифровому сигналу вряд ли можно ожидать появления следующего поколения чипов декодеров аналогового телевизионного сигнала.
|
Bog BOS: hardware: Оцифровка телевизионного сигнала платами на основе Bt848/Bt878 (Linux) |