Předkládané řešení se týká příjmu obrazových signálů paketovou počítačovou sítí. Patří do oblasti telekomunikační techniky a služeb.

Dosavadní stav techniky

Stávající řešení pro přenos skupiny souvisejících obrazových signálů po počítačové síti mají následující omezení.

Zařízení jsou určena pro fixní počet kanálů ve skupině, typicky dva kanály pro stereoskopický (3D) přenos nebo více kanálů jako části obrazu s velmi vysokým rozlišením. Například čtyři kanály o rozlišení HD (1920x1080) mohou být použity pro obraz s rozlišením 4K (3940x2160).

Všechny kanály v této skupině mohou být na výstupu přijímače navzájem synchronizovány externím zdrojem synchronizačního signálu s využitím frame bufferu, který kompenzuje rozdíl v rychlosti vysílače a přijímače. Takovéto řešení je uvedeno například v publikaci Masahiko Kitamura, et. al.: „Beyond 4K: 8K 60p live video streaming to multiple sites“, Future Generation Computer Systems 27 (2011) 952-959, 20.1.2011. Nevýhodou je nutnost občasných odstranění nebo duplikací snímků a prodloužení doby nutné pro zpracování obrazu.

Pokud je třeba zajistit dlouhodobou provázanost rychlosti přijímače s rychlostí vysílače bez nutnosti synchronizace výstupů externím zdrojem synchronizačního signálu, bývají obě zařízení připojena k přesným zdrojům časového signálu. Tím jsou typicky GPS přijímače. Zajištění signálu zGPS přijímače, který musí být umístěn vně budovy, do místa instalace zařízení uvnitř budovy bývá často technicky obtížné.

Další možné řešení je společná synchronizace hodin vysílače a přijímače se sítí distribuce přesného času protokolem NTP, Network Time Protocol, což řeší například WO 2006110960, nebo podobným systémem. Synchronizace hodin se zdrojem přesného času vyžaduje dostupnost takovéhoto zdroje v síti. Použité synchronizační protokoly navíc obvykle vyžadují obousměrnou komunikaci, tedy zpětnou vazbu, mezi zařízením a tímto zdrojem přesného času. Zařízení potom není funkční při použití optického rozbočovače příchozího signálu používaného pro replikaci přenášeného obrazu.

Uvedená předchozí řešení navíc vyžadují modifikaci jak vysílače, tak přijímače obrazového signálu.

Jsou známá také řešení, která popisuje článek Jiří Halák, Michak Krsek, Sven Ubik, Petr Žejdl, Felix Nevřela: „Real-time long-distance transfer of uncompressed 4K video for remote collaboration“, Future Generation Computer Systems 27 (2011) 886-892, 5.12.2010. nebo dokument WO 2011116735. Tato řešení pro provázání rychlosti přijímače s rychlostí vysílače nebrala do úvahy možnost současného přenosu více signálů různých formátů. Nevýhodou těchto zařízení je, že nelze flexibilně měnit uspořádání kanálů do synchronizovaných skupin nebo samostatných kanálů podle potřeby.

Z výše uvedeného vyplývá, že systém pro přenos obrazových signálů s variabilní synchronizací kanálů a provázaností rychlosti přijímače s vysílačem bez použití externího zdroje časového nebo synchronizačního signálu a frame bufferu je se stávající technikou obtížně realizovatelný.

- 1 CZ 304388 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro příjem obrazových signálů s variabilní synchronizací kanálů podle předkládaného řešení.

Podstatou zařízení pro příjem obrazových signálů přenášených přes paketovou počítačovou síť je, že je tvořeno pamětí konfigurace synchronizace kanálů propojenou s konfiguračním vstupem detektoru počátků snímků a dále alespoň jednou soustavou modulů pro zpracování obrazových dat. Každá soustava modulů je tvořena vyrovnávací pamětí s datovým vstupem. Výstupy signalizace čísla řádků vyrovnávacích pamětí ve všech zařazených soustavách modulů jsou spojeny s odpovídajícími vstupy detektoru počátků snímků, jejichž počet se rovná počtu zařazených vyrovnávacích pamětí. Datový výstup vyrovnávací paměti je spojen s datovým vstupem generátoru snímků. Výstup generátoru snímků je obrazovým výstupem zařízení. Povolovací vstupy generátorů snímků všech zařazených soustav modulů jsou připojeny na odpovídající výstupy detektoru počátků snímků. Vyrovnávací paměť je dále svým výstupem signalizace zaplnění spojena s invertujícím vstupem diferenciálního členu, na jehož neinvertující vstup je připojen výstup paměti požadované hodnoty zaplnění. Výstup diferenciálního členu je připojen na vstup regulátoru PID, tedy na proporcionální, integrační a derivační člen, který je svým výstupem spojen s řídicím vstupem laditelného oscilátoru. Kmitočtový výstup laditelného oscilátoru je připojen na datový vstup multiplexorů ve všech zařazených soustavách modulů. Řídicí vstup multiplexorů ve všech zařazených soustavách modulů je připojen na odpovídající výstup paměti konfigurace synchronizace kanálů. Výstup multiplexoru hodinových signálů je připojen na hodinový vstup generátoru snímků.

V jednom provedení mohou být obrazové výstupy tvořeny jedním nebo více kanály standardu SMPTE 259M - SDI a/nebo SMPTE 292M - HD-SDI a/nebo SMPTE424 - 3G-SDI a/nebo SMPTE 372 - dual-link EID-SDL Ve výhodném provedení jsou moduly přijímače implementovány jako bloky v programovatelném hradlovém poli FPGA.

Výhodou uvedeného zařízení je, že všechny podstatné logické obvody se nacházejí na straně přijímače, který může pracovat s libovolným vysílačem, který není třeba pro zajištění popisovaných vlastností přenosu nijak upravovat.

Podstatnou vlastností předkládaného řešení je schopnost přijímače libovolně rozdělit přijímané kanály do skupiny se synchronizací kanálů v rámci skupiny a toto rozdělení měnit. Synchronizaci hodinových signálů pro generátory snímků v rámci skupiny zajišťují multiplexory hodinových signálů. Snímkovou synchronizací obrazů kanálů ve skupině zajišťuje detektor počátků snímků povolovacími vstupy generátorů snímků. Generátory snímků jsou pozastaveny až do příchodu prvního řádku snímku ve všech kanálech skupiny. Multiplexory hodinových signálů a detektor počátků snímků jsou řízeny pamětí konfigurace synchronizace kanálů.

Další podstatnou vlastností předkládaného řešení je schopnost přijímače průběžně přizpůsobovat rychlost posílání dat do generátoru snímků rychlosti vytváření těchto dat na straně vysílače bez použití přesných zdrojů časových impulzů na obou stranách přenosu a bez zpětné vazby z přijímače na vysílač. To umožňuje použití například i stávajících kamer a jiných zdrojů obrazového signálu pracujících v reálném čase, které neobsahují podporu pro externí zdroj hodinového signálu. Regulátor PID pracuje obvyklým způsobem.

Objasnění výkresu

Příklad provedení zařízení pro příjem obrazových signálů s variabilní synchronizací kanálů je schematicky naznačen na přiloženém výkrese.

-2 CZ 304388 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Zařízení pro příjem obrazových signálů s variabilní synchronizací kanálů paketovou počítačovou sítí, jehož blokové schéma je na přiloženém výkrese, je možné popsat těmito funkčními bloky: paměť i konfigurace synchronizace kanálů, detektor 2 počátků snímků a jedna nebo více soustav 3 modulů pro zpracování obrazových dat. Každou soustavu 3 modulů dat dále tvoří: vyrovnávací paměť 5, generátor 6 snímků, paměť 8 požadované hodnoty zaplnění, diferenciální člen 9, regulátor 10 PID, laditelný oscilátor 11 a multiplexor 12 hodinových signálů.

V rámci každé soustavy 3 modulů přicházejí pakety s obrazovými daty z počítačové sítě na datový vstup 4 vyrovnávací paměti 5, jejíž datový výstup je spojen s datovým vstupem generátoru 6 snímků a jejíž výstup signalizace zaplnění je spojen s invertujícím vstupem diferenciálního členu 9. Na neinvertující vstup diferenciálního členu 9 je připojena paměť 8 požadované hodnoty zaplnění. Výstup diferenciálního členu 9 je přiveden na vstup regulátoru 10 PID, jehož výstup je spojen s řídicím vstupem laditelného oscilátoru 11. Kmitočtový výstup laditelného oscilátoru 11 je připojen na vstupy multiplexorů 12 hodinových signálů ve všech zařazených soustavách 3 modulů. Výstup multiplexoru Γ2 hodinových signálů je připojen na hodinový vstup generátoru 6 snímků.

Detektor 2 počátků snímků je svými vstupy připojen na výstupy signalizace čísel řádků vyrovnávacích pamětí 5 ve všech zařazených soustavách 3 modulů pro zpracování obrazových paketů a na paměť 1 konfigurace synchronizace kanálů. Výstupy detektoru 2 počátků snímků jsou spojeny s povolovacími vstupy generátorů 6 snímků ve všech soustavách 3 modulů pro zpracování obrazových paketů.

Paměť 8 požadované hodnoty zaplnění určuje požadovaný průměrný počet obrazových paketů, který má být udržován ve vy rovnávací paměti 5 pro zvolený poměr latence a odolnosti vůči změnám zpoždění paketů v (jitteru). Pokud se průměrný počet obrazových paketů ve vyrovnávací paměti 5 liší v diferenciálním členu 9 od obsahu paměti 8 požadované hodnoty zaplnění, změní regulátor J_0 PID kmitočet laditelného oscilátoru 1_1 tak, aby došlo k přizpůsobení rychlosti posílání dat do generátoru rámců rychlosti vytváření těchto dat na straně vysílače.

Generátor 6 snímků převádí obrazová data do formátu obrazových výstupů 7. Paměť i konfigurace synchronizace kanálů určuje, které kanály mají být navzájem synchronizovány. Detektor 2 počátků snímků povoluje průchod obrazových paketů do generátorů 6 snímků skupiny navzájem synchronizovaných kanálů, jakmile jsou detekovány počátky snímků ve všech kanálech skupiny.

Obrazové výstupy 7 mohou být například podle standardu SMPTE 259M (SDI) a/nebo SMPTE 292M, (HD-SDI) a/nebo SMPTE 424 (3G-SDI) a/nebo SMPTE 372 (dual-link HD-SDI).

Užitečnou vlastností rozdělení obrazových kanálů do skupin po jednom nebo více členech je možnost použití každé skupiny obrazových kanálů pro přenos obrazového signálu ze samostatného obrazového zdroje na straně vysílače, přičemž může jít například o samostatné obrazové signály s rozlišením HD nebo 2K nebo o stereoskopické signály, tedy 3D signály, či signály s velmi vysokým rozlišením, například 4K, 8K, přenášené po částech ve více kanálech.

Průmyslová využitelnost

Popsané technické řešení je průmyslově dobře využitelné v privátních, místních, národních i mezinárodních počítačových sítích, pro přenosy obrazových signálů v reálném čase, například pro vzdálený interaktivní přístup k 3D modelům v průmyslu, k lékařským zákrokům nebo k filmovým záznamům s velmi vysokým rozlišením při jejich zpracování během post-produkce a pro jejich prezentaci.