Интерфейсом по пиратам

Технический прогресс в области Hi Tech набирает скорость подобно истребителю-перехватчику. Еще недавно цифровая электроника ассоциировалась исключительно с громоздкими ЭВМ в вычислительных центрах, а сегодня сотовые телефоны, ноутбуки и плазменные дисплеи уже ни у кого не вызывают удивления. Правда, пути совершенствования радиоэлектронной аппаратуры иногда бывают довольно извилистыми, и в начале XXI века в продаже появляются звуковые усилители мощности класса Hi End, в корпусах которых, как в довоенных радиоприемниках, гордо выстраиваются радиолампы-самовары. Но это так — игрушки для богатых, а на самом деле, после того как цены на микропроцессоры упали до уровня 20 долларов за штуку, переход к цифровым методам создания, обработки, хранения и передачи видео- и аудиоинформации стал неизбежен. С точки зрения схемотехники цифровая аппаратура сложнее аналоговой, но и функциональные возможности ее гораздо шире, а некоторые из них принципиально недостижимы при аналоговой обработке сигнала.

Переход на цифровые форматы звука и видео обусловлен их техническими и пользовательскими преимуществами по сравнению с аналоговыми.

К техническим преимуществам относят:

• принципиальное исключение потери качества сигнала при его передаче, перезаписи и хранении;
• возможность точной временной синхронизации видеоматериала;
• более совершенные системы управления и контроля качества сигнала;
• упрощение технологии получения, обработки, хранения и передачи качественного сигнала;
• расширение творческих возможностей персонала телестудий.

К пользовательским свойствам цифрового вещания относят:

• возможность получения высококачественной, лишенной помех и шумов картинки с многоканальным звуком;
• широкие сервисные возможности цифровой приемной аппаратуры.

Понятно, что аналоговые интерфейсы для работы с цифровым сигналом не годятся, поэтому для него были созданы специальные, цифровые интерфейсы.

К ним относятся последовательный цифровой интерфейс SDI/SDTI, используемый в профессиональной и студийной аппаратуре, а также цифровые видеоинтерфейсы DVI и HDMI.

Цифровой видеоинтерфейс DVI

Проблема ухудшения характеристик качества сигнала при многократном аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании была решена с появлением нового стандарта DVI, который сейчас можно уверенно рассматривать в качестве общепринятого. Группа, разработавшая стандарт, — Digital Display Working Group (DDWG) — была создана по инициативе компании Intel. В нее вошли Compaq, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, NEC и Silicon Image. Спецификация DVI была представлена в апреле 1999 года, тогда же были продемонстрированы и рабочие системы, использующие стандарт, — плазменные мониторы Fujitsu и Phillips, ЖК-мониторы IBM и Compaq, а также ряд других изделий.

Теперь уже ясно — создатели стандарта DVI рассчитывали, что область его применения окажется гораздо шире, чем цифровое соединение компьютера с монитором, и не ошиблись. В конце 90-х годов ХХ века продолжалось бурное развитие видеотехнологий. В обиход прочно вошли полностью цифровые DLP-проекторы, а ЖК- и ЭЛТ-мониторы, если и оставались аналоговыми по принципу формирования изображения, все равно имели цифровые схемы обработки сигнала. В цифровой форме осуществлялось масштабирование изображения и преобразование развертки, необходимое для корректного изменения количества строк, пикселов и полей. Функции регулировки цветности, яркости, контрастности и других параметров видео также были реализованы цифровыми методами. После того как фирма Fujitsu начала давать другим производителям лицензии на плазменные технологии, стало ясно, что выход на рынок еще одного вида высококачественного цифрового дисплея — вопрос недалекого будущего.

Рис. 1. Разъемы DVI-D и DVI-I

В практическую плоскость перешло внедрение телевидения высокой четкости. Размеры экранов росли, увеличивалось их разрешение. Не было только одного — отвечающего текущим и перспективным запросам рынка цифрового видеоинтерфейса. Переход от композитного и S-Video к компонентному и RGB-трактам позволил резко увеличить качество изображения, однако лишние преобразования «аналог-цифра-аналог» ощутимо ухудшали качество картинки, что было особенно обидно из-за абсолютной ненужности АЦП и ЦАП в тракте, состоящем из цифрового источника (DVD, компьютер), цифрового дисплея и цифрового же процессора между ними. Получалось, что АЦП и ЦАП просто «работали на провода» между источником и монитором.

Необходимость создания цифрового интерфейса, отвечающего запросам HDTV и имеющего солидный запас на перспективу, стала совершенно очевидной.

Интерфейс DVI — Digital Video Interface — можно, с определенными допусками, назвать цифровым RGB-интерфейсом. В одноканальной модификации формата Single Link DVI имеется четыре канала передачи данных: три из них предназначены для передачи информации об основных цветах: синем, зеленом и красном, а четвертый передает сигнал тактовой частоты Clock. При этом достигается максимальная скорость потока данных, равная 1,65 Гбит/с, или 165 мегапикселов в секунду при 10-разрядном кодировании, что соответствует разрешению 1600×1200 пикселов (UXGA) при частоте обновления полей 60 Гц. На сегодняшний день это с запасом покрывает потребности современных форматов HDTV.

Физически кабель DVI состоит из соответствующего количества витых пар. Разводка разъема DVI показана на рис. 1, а назначение контактов сведено в табл. 1.

Таблица 1
Контакт	Описание	Контакт	Описание
1	Данные  T. M. D. S 2-	16	Датчик «горячего» подключения
2	Данные T.M.D.S 2+	17	Данные T.M.D.S 0-
3	Экран для данных T.M.D.S 2 и 4	18	Данные T.M.D.S 0+
4	Данные T.M.D.S 4-	19	Экран для данных T.M.D.S 0 и 5
5	Данные T.M.D.S 4+	20	Данные T.M.D.S 5-
6	Такты DDC	21	Данные T.M.D.S 5+
7	Данные DDC	22	Экран для тактов T.M.D.S
8	Аналоговая кадровая синхронизация	23	Такты T.M.D.S +
9	Данные T.M.D.S 1-	24	Такты T.M.D.S -
10	Данные T.M.D.S 1 +	С1	Аналоговый канал R
11	Экран для данных T.M.D.S 1 и 3	С2	Аналоговый канал G
12	Данные T.M.D.S 3-	СЗ	Аналоговый канал В
13	Данные T.M.D.S 3+	С4	Аналоговая строчная синхронизация
14	Питание +5 В	С5	Аналоговая «земля»
15	«Земля»

Еще большую пропускную способность имеет модификация интерфейса Dual Link DVI. Здесь все то же самое, но в двойном размере (кроме сигнала тактовой частоты, которую дважды передавать не нужно). Dual Link DVI способен передавать сигналы QXGA (2048×1536 пикселов) при частоте смены полей 60 Гц.

Несмотря на явную избыточность Dual Link DVI в отношении современных дисплеев, поддерживающие этот интерфейс устройства уже производятся.

Благодаря технологии DVI появилась возможность удаления аналоговой части с плат видеоадаптеров и перенос ее в монитор, что должно сказаться на повышении качества изображения гораздо сильнее, чем устранение влияния помех в кабеле, соединяющем видеокарту и монитор. Поскольку информация об изображении передается от видеокарты к монитору в цифровом виде, влияние внешних наводок значительно снижается.

Интерфейс DVI позволяет использовать разнообразные устройства отображения информации (мониторы, проекторы и т. д.) без промежуточных адаптеров или усилителей.

Высокие скоростные характеристики интерфейса DVI достигнуты за счет использования специально разработанного для него алгоритма кодирования сигналов, который называется Transition Minimized Differential Signaling (T. M. D. S) — дифференциальная передача сигналов с минимизацией перепадов уровней. Другими словами, T. M. D. S можно назвать сверхплотным архивированием данных без потерь.

Дифференциальный, или симметричный, способ передачи, когда по каждому проводнику витой пары проходит один и тот же прямой и инвертированный сигнал, обеспечивает эффективную защиту данных от синфазных помех.

На передающей стороне интерфейса DVI находится передатчик T. M. D. S., в котором производится преобразование оцифрованного RGB-сигнала и формирование последовательного потока данных в каждом из каналов. На приемной стороне, наоборот, происходит полное восстановление цифровых потоков по каналам R, G, B, а также сигнала Clock.

Разновидности интерфейса DVI

Существуют две разновидности интерфейса DVI: DVI-D и DVI-I, различие между которыми заключается в том, что для обеспечения более широкой совместимости аппаратуры разных поколений в разъеме DVI, помимо трех рядов цифровых контактов, могут быть предусмотрены еще и аналоговые, на которые подается обычный аналоговый RGB-сигнал (на рис.1 — контакты С1…С5). Таким образом, вариант интерфейса DVI, включающий аналоговую и цифровую части, называют DVI-I (Integrated), то есть совмещенный.

Интерфейсы DVI-D и DVI-I, помимо описанных выше цифровых каналов, содержат еще два, предназначенных для обмена информацией между оснащенным видеопроцессором источником (например, PC с видеокартой) и дисплеем. Канал DDC (Display Data Channel) предназначен для передачи подробного «досье» дисплея процессору, который, ознакомившись с ним, выдает оптимальный для данного дисплея сигнал с нужным разрешением и экранными пропорциями. Такое досье, называемое EDID (Extended Display Identification Data — подробные идентификационные данные дисплея), представляет собой блок данных со следующими разделами: производитель и модель (brand name), идентификационный номер модели, серийный номер, дата выпуска, размер экрана, поддерживаемые разрешения и собственное разрешение экрана. В случае, если монитор отказывается выдать информацию о себе (отсутствие DVI-совместимости), канал T. M. D. S блокируется.

При запуске DVI-совместимого источника активизируется процесс HPD (Hot Plug Detect — опознание активного соединения).

У интерфейса DVI имеется лишь одно серьезное ограничение: длина кабеля не должна превышать 5 м. При более длинных дистанциях не гарантируется стопроцентная достоверность передачи данных. Происходит это из-за джиттера (дрожание фазы, увеличивающееся по мере потери крутизны фронтов импульсов из-за реактивных составляющих кабеля). Надежное средство против джиттера — перетактирование (reclocking), то есть перенос данных на новую тактовую частоту (точнее, ту же самую, но сгенерированную заново с высокой стабильностью). При этом пораженные джиттером входные данные помещаются в буфер, откуда их извлекают вновь «помолодевшими». Если перетактирование производится до того, как сигнал претерпел фатальные изменения, потерь информации не происходит. Поэтому самые лучшие цифровые устройства обязательно включают входной буфер и стабилизированный кварцевым резонатором генератор тактовой частоты. Можно предположить, что в недалеком будущем входное перетактирование станет обязательной процедурой для цифровых устройств.

Если длина кабеля значительно превышает 5 м, перетактирование на входе дисплея может оказаться бессильным. В подобных случаях необходимо применять специальные повторители, устанавливаемые в разрыв кабеля. Однако нужно понимать, что ограничение на длину кабеля не является жестким, и в случаях недоиспользования возможностей DVI по плотности потока данных (например, при передаче сигналов более «скромного», нежели 1600×1200, разрешения) сигнал можно передавать на большие расстояния. Именно поэтому производятся стандартные кабели DVI длиной до 20 м, но иногда и роль перетактирования сигнала на принимающей стороне приобретает особое значение.

Спецификация DVI обеспечивает:

• передачу информации от источника к потребителю без потерь;
• независимость от типа дисплея;
• поддержку спецификаций Plug and play, EDID и DDC2B;
• поддержку цифровой и аналоговой передачи данных на одном соединении.

По оптимистичным прогнозам Intel, стандарт DVI будет актуален как минимум следующие 10 лет. Сейчас степень его распространения напрямую связана с долей мониторов с плоскими экранами (главным образом, ЖК-мониторов с активной матрицей) на рынке. Кроме того, следует ожидать и распространения цифровых ЭЛТ-мониторов, которые, если получат широкую популярность, сильно подтолкнут переход к новому интерфейсу.

Вытеснение старого интерфейса набирает обороты. В не столь уж отдаленном будущем дело, скорее всего, дойдет и до отмирания аналоговой части DVI.

Интерфейс HDMI

Развитием интерфейса DVI является мультимедийный интерфейс высокой четкости HDMI (High Definition Multimedia Interface). Видеочасть HDMI совместима по контактам с DVI, но вид у него совершенно другой. HDMI — это более совершенный интерфейс, чем DVI, в первую очередь, благодаря возможности передачи многоканального звука, а также поддержке HDCP (рис. 2).

Пропускная способность HDMI достигает 5 Гбит/с. Этого достаточно для видеосигнала 1080p и двух каналов несжатого цифрового звука в формате PCM 48 кГц либо 5.1 каналов в Dolby Digital или DTS, в то время как интерфейс DVI поддерживал только двухканальный (стерео) звук. Разъем HDMI более компактен, а сигнал можно передавать на расстояние до 15 м.

Разработанная фирмой Intel система защиты HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection) — это алгоритм защиты цифровых данных высокого разрешения, обеспечивающий возможность, в зависимости от конкретного случая, установить разные уровни безопасности, благодаря чему он не ограничивает свободу обращения с видеоданными в пределах одобренных действующим законодательством рамок. Так, например, HDCP не обеспечивает защиту от копирования и искусственно не ухудшает качества копий. Под жесткий запрет подпадают следующие действия: копирование программ со снятой защитой, получение незащищенного цифрового потока или аналогового видеосигнала высокого разрешения. Разрешены повторители и разветвители сигнала, но при этом они должны «обменяться» паролями друг с другом и получить взаимное одобрение, что возможно только в том случае, если все устройства обладают HDCP-совместимостью.

Необходимо особо отметить, что HDCP работает не только на правообладателей киноматериалов, но и защищает права потребителя, ограждая его от потока низкосортной видеопродукции (например, полученной через Интернет), качество которой несовместимо с современными форматами телевидения высокого разрешения.

Рис. 2. Внешний вид кабельных вилок DVI  (справа) и HDMI

Работает HDCP по сложной схеме, предусматривающей, прежде всего, наличие своих секретных кодовых комбинаций в каждом передатчике и приемнике DVI. В единой системе допускается наличие до 127 пар передатчиков и приемников и до 7 уровней разветвления (или ретрансляции). Для того чтобы канал DVI активизировался, должен успешно пройти процесс взаимной аутентификации каждой пары передатчиков и приемников. Первый этап процесса аутентификации — обмен кодовыми комбинациями, которые «зашиты» в микросхемы оборудования и недоступны пользователю. Кодовые комбинации должны обладать правдоподобностью, для проверки которой производится вычисление математической суммы R0. В передатчике вырабатывается псевдослучайная последовательность AN, которая вместе с так называемым «вектором выбора кода» (KSV) отсылается на приемник. Аналогично с приемника поступает подобное сообщение на передатчик. В случае положительного результата проверки KSV (в их структуре, помимо всего прочего, обязательно должны присутствовать 20 нулей и 20 единиц) на обеих сторонах запускаются генераторы кодов, вырабатывающие 24-разрядные шифровальные коды, соответствующие определенным значениям секретного параметра Ks. Синтезированные в передатчике и приемнике значения R0 и Ks сравниваются.

Значения KSV являются индивидуальными для каждого отдельного устройства. Существует также «черный список» взломанных кодов, который хранится в памяти устройства и пополняется при воспроизведении новых DVD-релизов (один из способов). При совпадении индивидуальных данных конкретного аппарата с данными из этого списка процесс инициализации интерфейса DVI немедленно блокируется. Таким образом, единожды замеченный в попытке обойти запреты DVD-плейер станет персоной нон-грата в любой системе, при условии, что кто-то данную попытку заметит и сообщит куда следует.

HDMI уже успешно внедряется в области домашних кинотеатров. Скорее всего, большой поддержки нового стандарта стоит ожидать от компаний, продающих музыку и видео. Им, несомненно, захочется поскорее заменить DVI на более защищенный стандарт, поскольку возможность передачи некомпрессированного цифрового сигнала весьма привлекательна для пиратов, ведь они смогут легко получать абсолютно точные копии с различных носителей.

Вряд ли борьба с пиратами с помощью таких мер будет эффективной. По крайней мере, до сих пор они успешно противостояли любым попыткам защиты аудиовидеоконтента. Для обычных зрителей, то есть для нас с вами, главное, чтобы система HDCP и ей подобные не осложняла нам жизнь и не мешала получать удовольствие от пользования современной, весьма недешевой техникой.

Статья подготовлена по материалам курса Kramer AV Academy