Malé digitální studio

Technická zpráva CESNETu číslo 16/2003
k dispozici též ve formátech PDF, PostScript a XML.

Ivo Šmejkal, Bohumila Veselá
18. 11. 2003

1   Úvod

Cílem následující technické zprávy je podat řešení případové studie typu "Návrh a realizace jednoduché platformy pro záznam a živé vysílání aktivit spojených s výukou". Součástí řešení je celý technologický proces, tzn. návrh technického a programového vybavení s tím, že v maximálně možné míře budou využity prostředky, kterými školy běžně disponují nebo jejichž náklady na pořízení nepřesahují únosnou mez.

Návrh je zaměřen především na oblast vzdělávání, ale může nalézt uplatnění všude, kde náklady jsou výrazným limitujicím faktorem.

2   Způsob řešení

Praktická realizace výše uvedeného zadaní vyžaduje jeho další rozbor a konkretizaci. V prvé řadě je nutné poznamenat, že cílem není navrhnout technologický řetězec pro digitální technologie ve vysoké kvalitě, se kterým se setkáváme např. v medicíně nebo v některých dalších oborech např. přírodních věd, ale cílem je "pouze" zprostředkovat přenosy a záznamy z akcí, kde horní hranice kvality je definována jako "plný PAL", i když v praxi jsme často v závislosti na propustnosti komunikačního kanálu ochotni akceptovat i nižší kvalitu přenosu.

Zařízení tedy najde uplatnění pro záznam, případně i živé vysílání přednášek významných hostujících osobností, pro přenosy a záznamy ze seminářů, konferencí a dalších obdobných akcí, které z hlediska požadované kvality splňují výše uvedené hranice. Dalším požadavkem je možnost snímání více kamerami, které budou v reálném čase přepínány a současně bude existovat možnost vkládat do výsledného signálu i grafické informace, které byly k tomuto účelu vytvořeny (titulky) nebo které přednášející standardně při přednášce používá (např. prezentace v MS PowerPointu). V neposlední řadě přistupuje i požadavek cenové dostupnosti celého technologického řetězce.

Začneme-li podrobněji analyzovat dílčí požadavky, začnou se výrazněji rýsovat aspekty celkového řešení.

Výrazný pokles cen kompaktních digitalních kamer (camcorderů) na trhu celkem jednoznačně determinuje orientaci na tuto techniku. V podstatě lze konstatovat, že prakticky všechny digitální kamery plní požadované parametry při ceně od 15 000 Kč výše (listopad 2003). Většina moderních digitálních kamer kromě klasických analogových výstupů (kompozitní video, s-video) disponuje digitálními výstupy dle standardu IEEE 1394 (firewire), některé modely i USB. Vzhledem k tomu, že rozhraní IEEE 1394 je na rozdíl od USB součastí naprosté většiny digitalních kamer, budeme se dále orientovat právě na tuto technologii, i když mnohé další závěry jsou platné i pro USB 1.0 resp. USB 2.0. Z hlediska programového vybavení bylo řešení postaveno na velmi kvalitní aplikaci Windows Media Encoder verze 9, která je bezplatně k dispozici na webu firmy Microsoft. Programů pro záznam digitálních dat a jejich vysílání, ať komerčních, tak i volně šiřitelných je samozřejmě více, ale Encoder 9 je velmi flexibilní a nejlépe ze známých produktů řešil přepínaní vstupních kanálů. Jeho použití též determinovalo volbu operačního systému na OS řady MS Windows.

Obrázek 1: Windows Media Encoder

3   Průběh experimentů

Pracovistě pro distribuci digitálních dat použité v rámci této studie bylo prakticky realizováno na PC Siemens Fujitsu s procesorem Athlon 1 GHz a pamětí 256 MB. Výkon procesoru použitého PC umožnil on-line vysílání v kvalitě 384×288 pixelů při 25 fr/s, což generovalo datový tok 387 Kb/s. Pro vysílání ve vyšší kvalitě by byl nutný vyšší výkon procesoru.

Operační systém byl použit MS Windows XP Professional se všemi aktuálními opravami. Velmi nepříjemnou skutečností se ukázaly být některé chyby operačních systémů firmy Microsoft (podobné, ale ne úplně stejné v MS Windows 2000 a XP) v obsluze většího počtu zařízení třídy 1394 fyzicky na jednom řadiči. Jestliže v operačním systému MS Windows XP se v podstatě náhodně dá navodit stav, kdy více vstupních zařízení 1394 je správně obsluhováno a toto platí až do následného restartu počítače, pak v operačním systému MS Windows 2000 Professional se plně funkční stav nepodařilo navodit vůbec.

Další nepříjemnou vlastností operačního systému MS Windows 2000 je i to, že jednotlivá 1394 zařízení nejsou v operačním systému detekována typem či třídou, ale pouze globálně jako zařízení "Microsoft DV Camera and VCR". To může zejména méně zkušenému uživateli zkomplikovat orientaci ve fyzických zařízeních připojených k programu, i když následně v rámci menu je již lze manuálně pojmenovat přehledněji.

Potíže s obsluhou více kamer na jednom IEEE 1394 řadiči se ve výše uvedených operačních systémech nepodařilo odstranit ani instalací legendarního "IEEE-1394 Digital Camera Windows Driver" autora Iwana Ulricha z Carnegie Mellon University. Problém vyřešila až instalace dalšího IEEE 1394 řadiče, kdy každá kamera je zapojena jako jediné zařízení na daném řadiči. V takovém případě řešení funguje naprosto spolehlivě v obou verzích výše zmiňovaných operačních systémů. Použití více než dvou IEEE 1394 řadičů nebylo ověřováno, ale nezdá se být důvod, proč by toto nemělo fungovat. Další variantou, která byla ověřována je vzájemná koexistence kamer připojených prostřednictvím USB a IEEE 1394; tato varianta po instalaci odpovídajících USB ovladačů pracovala spolehlivě.

Obrázek 2: Menu WME

Na následujícím obrázku je zdokumentována konfigurace vstupních kanálů resp. zařízení.

K dispozici jsou dvě kamery, Sony DCR-TRV240E, JVC GR DVL20 a dále tři vstupní soubory obsahující předpřipravené úvodní a závěrečné titulky a vlastní prezentaci přednášejícího. Dalším potenciálním vstupním kanálem může být kanál vzniklý "zachytáváním" stavu obrazovky počítače (screen capture) - viz literatura [l3].

Všechny soubory mohou být typu AVI a lze je vytvořit některou nelineární střižnou např. Movie Maker, Premiere, DV Studio aj. Možnost on-line přepínání mezi jednotlivými vstupními kanály Encoderu je vlastně nejjednodušší varianou střihového pracoviště, kde přepnutí způsobí "ostrý" sřih. Encoder nabízí i mechanismus zásuvných modulů (plug-in), kterými lze realizovat např. loga, titulky a další efekty.

Komerčním dodavatelem hotových pluginů pro Encoder je firma Inscriber.

Pro dislokaci navrženého studia a jeho kamer je důležitým omezujícím faktorem maximální přípustná délka kabelů pro IEEE 1394, která činí 4,5 m. Při práci "v terénu" např. v posluchárně může být vhodné, pokud si počítač vybavíme i WiFi adaptérem. Možnost používání notebooku je omezená nutností instalace více 1394 řadičů a jejich konstrukcí ve standardu PCMCIA. V tomto případě je vhodné použít jednu z kamer na rozhraní USB 2.0, pokud jím ovšem kamera resp. notebook disponují.

Daleko vhodnější než notebook se jeví použití nové technologie přenosných počítačů Cube, kde se používá standardní technologie sběrnic PCI (např. Shuttle).

Analogové výstupy z digitálních kamer (kompozitní video nebo S-video) můžeme s výhodou využít pro kontrolní monitory, protože Media Encoder zobrazuje pouze obsah aktivního kanálu.

Potřebu více monitorů pro střihové pracoviště můžeme redukovat například zařízením Frame Quadrator (DQX540) firmy Mk Electronic.

Pro snímání zvuku v přednáškových sálech jsou nejvhodnější klopové bezdrátové mikrofony jako prostorový mikrofom můžeme použít libovolný, jaký máme k dispozici. Jako mixážní pult pro audio dobře poslouží například mixážní pult AMX450 téže firmy. Další navržené kmponenty (např. pro komunikaci kameramana s režií můžeme nalézt v literatuře [l2].

Na následujícím schematu vidíme jednu z možných variant malého digitálního studia.

Obrázek 3: Příklad malého digitálního studia

Na tomto místě považujeme za nutné upozornit ještě na jeden důležitý fakt. Pokud realizujeme živé vysílání, pak při výše uvedené kvalitě vysílání tzn. 384×288 pixelů, 25 fr/s a datovém toku 387 Kb/s bylo při prezentaci Media Playerem 9 zpoždění cca 12-15 s. Toto omezení vyplývající z filosofie práce Media Playeru s vyrovnávací pamětí není v podstatě na škodu při jednosměrném režimu živého vysílání, ale může působit komplikace u videokoferenčních aplikací, kde vyžadujeme zpětnou vazbu.

4   Závěr

Výše uvedený návrh představuje jednu z možných variant malého digitálního studia, kterou se podařilo realizovat.

Celé řešení je v podstatě postaveno na zcela běžných komponentách standardně dostupných na trhu.

Z hlediska střihu nemůže samozřejmě konkurovat profesionálním střihovým pultům např. MXPro Professional Digital Video Mixer firmy Videonics. Na druhé straně i při této konfiguraci malé studio umožní záznam resp. živé vysílaní výukových akcí a to v podobě, že při relativně jednoduché přípravě akce (příprava titulků případně prezentací) není již potřeba postprodukce tzn. například záznam z přednášky hostujícího profesora můžeme okamžitě vystavit na videoserveru bez tradičního zdlouhavého zpracování v nelineární střižně. Právě v tom spatřujeme hlavní přínos navrženého zařízení a technologie.

Použitá literatura