Бесподрывные матричные коммутаторы ATEN: тестируем скорость переключения

В профессиональной среде матричные коммутаторы принято называть просто «матрица» и обозначать числами 4x4, 8x8, или 16x16, где первое - это количество входов, а второе - количество выходов, причём их количество может отличаться. Основная задача такого коммутатора - переключать подачу видеоконтента в различных конфигурациях:

• с одного входа на один выход
• с одного входа на несколько выходов
• с одного входа на несколько выходов, представляющих собой видеостену
• с одного входа на несколько выходов, представляющих собой видеостену, но без какого-либо сегмента

и так для каждого из входов. 

В реальных условиях эксплуатации ко входу коммутатора подключаются устройства с разным разрешением и частотой кадров: у кого-то из ведущих презентации - старый Macbook с выходом 1080p через переходники, у кого-то новый Dell с выходом 4K, стационарно установленная ТВ-приставка может выдавать разрешение в 720p или 1080p, в общем - полная сборная солянка. На выходе же телевизоры и мониторы имеют собственное постоянное разрешение, и раньше каждое переключение входа и выхода сопровождалось согласованием параметров между тем же ноутбуком и телевизором, что занимало несколько секунд, в течение которых активный экран не показывал изображение, и в профессиональной среде эти несколько секунд получили название «чёрное поле». Даже кратковременное пропадание изображения не просто снижает комфорт работы, а выступает дополнительным раздражающим фактором, особенно если мы говорим о нервной работе ситуационных центров МЧС, диспетчерских служб, да и просто о каком-то оперативном совещании.

Об использовании матричных коммутаторов в современных инсталляциях нам расскажет генеральный менеджер ведущего IT-интегратора, компании TEGRUS, Людмила Игнатова:

HWP: Для каких типичных инсталляций используются матричные коммутаторы видеосигнала. Кто чаще всего является их потребителем - государственные или коммерческие организации.

TEGRUS: Матричные коммутаторы, зачастую используется в больших конференц-залах, залах коллегии, ситуационных и диспетчерских центрах. Другими словами, там, где задействовано множество источников видеосигнала, который требуется обработать и показать многочисленным пользователям. Задача матричного коммутатора – оперативное перенаправление видеоконтента на нужное устройство, будь то персональный компьютер, настольный монитор, видеостена и так далее.

Эти решения при необходимости используются как в проектах для госструктур, так и коммерческими организациями. Все зависит от требуемого функционала и сложности создаваемой для заказчика системы. В бизнес-сфере проекты более разноплановые, но менее масштабные чем в государственных учреждениях – случаи использования коммутаторов размерностью больше 32х32 HDMI довольно редки. Государственные учреждения, в свою очередь, нередко применяют большие матричные оптические коммутаторы, в частности, для построения инфраструктуры в строящихся кампусах или для централизованного управления контентом в большом количестве помещений

Современные «матрицы» ATEN уже используют технологию так называемого «бесшовного» или «бесподрывного» переключения, при котором смена источников видеосигнала происходит мгновенно, без злосчастного «чёрного поля» и даже без морганий. Конструктивно этого удалось добиться за счёт буферизации каждого видеовыхода и установки на нём собственного процессора. Матричный коммутатор лишь единожды при включении производит согласование разрешений и частоты кадров с подключенными телевизорами и проекторами, а впоследствии все манипуляции с видеопотоком осуществляются уже видеопроцессором «матрицы» с покадровой точностью. Можно сказать, что на электрическом уровне современная «матрица» уже ничего не коммутирует - устанавливаемые процессоры достаточно мощные, чтобы не только замещать один видеопоток другим, но и менять разрешение входного сигнала и масштабировать картинку с сохранением пропорций. На фотографии ниже вы можете видеть, как выглядит на уровне электроники технология Aten Seamless Switch: сам процессор плюс 256 Мб буферной памяти, набранной двумя чипами Samsung K4B1G1646G-BCK0, и так - для каждого выхода.

Важно отметить, что в этом процессе не используется сжатие видеопотока, так что качество остаётся неизменным, а чёрные рамки по краям экрана можно убирать масштабированием, произведя настройку единожды, и независимо от входящего сигнала.

Тестирование Aten VM6404H

Конечно, без сжатия, самым "тяжелым" для матричного коммутатора является режим переключения источников с разным разрешением и частотой кадров, например до сих пор не все матричные переключатели на рынке поддерживают бесподрывное переключение, если например подключенный телевизор имеет частоту развертки 60 Гц, активный источник - 30 Гц, а новый - 25 Гц. В коммутаторах Aten эта возможность является предметом гордости разработчика, но пока не увидишь своими глазами - не поверишь, поэтому мы протестируем эту возможность на примере Aten VM6404H.

Начнём с проверки задержки между сигналом на входе и на выходе, чтобы выяснить, как буферизация и обработка в реальном времени влияет на комфорт работы, для этого подадим на вход HDCP-сигнал с разрешением 1080p @ 25 Hz, а на выходе будем использовать панель с разрешением 4K @ 60 Hz, запустим таймер с точностью до тысячных долей секунды и зафиксируем разницу в показаниях счётчика.

Как видно, задержка составляет 0.064 секунды, то есть примерно 1.5 кадра в кинотеатре. 

Переключение в бесшовных матричных коммутаторах Aten происходит по следующему принципу: в момент подачи команды на смену источника, в буфере сохраняется последний кадр со старого входа и на нём происходит замена видеопотока на новый активный, с необходимой коррекцией разрешения и частоты. Используя таймер, мы можем вычислить скорость этого процесса.

На правом экране мы можем видеть, что команда на переключение сработала при значении 0:22:55.236, после чего трансляция уже сигнал на на правый выход не подаётся, и "матрица" держит на экране закэшированный кадр, производя переключение. При значении 0:22:55:335 начинается процесс замещения кадров, который заканчивается в 0:22:55:367. Если присмотреться еще более внимательно, то видно, что сама замена происходит через плавный переход от кадра к кадру. Подключенные телевизоры имеют время отклика - 16 мс, и вполне вероятно, что здесь мы имеем дело с ситуацией, когда профессиональная видеопанель реагирует на смену кадров медленнее, чем коммутатор. Итого, процесс переключения Seamless Switch на ATEN VM6404H занимает 0.131 секунды, а если считать от начала показа буферизованного кадра до показа нового источника, то примерно 0.1 секунды. С точки зрения наблюдателя - мгновенно. На момент подготовки обзора, технология бесподрывного переключения присутствовала в следующих матричных коммутаторах Aten:

• VM51616H - 16x16, разрешение 1080p, HDCP 1.4, 3D, DeepColor
• VM6809H - 8x9, разрешение 4K, HDCP 2.2, 3D, DeepColor
• VM3404H - 4x4, разрешение 4K, HDCP 1.4, 3D, DeepColor, HDBaseT
• VM3909H - 9x9, разрешение 4K, HDCP 1.4, 3D, DeepColor, HDBaseT
• VM6404H - 4x4, разрешение 4K, HDCP 2.2, 3D, DeepColor
• VM5404H - 4x4, разрешение 1080p, HDCP 1.4, 3D, DeepColor
• VM5808H - 8x8, разрешение 1080p, HDCP 1.4, 3D, DeepColor
• VM5404D - 4x4, интерфейс DVI, разрешение 1920x1200
• VM58085D - 8x8, интерфейс DVI, разрешение 1920x1200
• VM3200 и VM1600A*

*Модульные VM3200 и VM1600A поддерживают бесподрыв на всех видах выходных плат. В случае с HDBaseT платами (а так же в случае матриц VM3909H и VM3404H бесподрыва на самих HDBaseT выходах нет, он обеспечивается отдельными скалирующими приемниками (VE805R или VE816R), при этом, на дублирующих HDMI выходах матриц VM3909H и VM3404H бесподрыва нет.

О том, насколько важно иметь бесшовное переключение, мы спросим у интегратора:

HWP: Насколько важно для заказчика иметь мгновенное переключение сигнала без перехода через "чёрное поле"? Предъявляют ли заказчики требования по скорости переключения?

TEGRUS: Так называемое «безразрывное переключение» источников сегодня имеет важное значение, поскольку на современных совещаниях докладчики зачастую мнгогократно переключают источники сигнала за короткое время. Любое промедление или возникший на короткое время черный экран создают эффект заторможенности системы и снижают общий эффект от презентации. Поэтому на сегодня все популярные матричные коммутаторы имеют функцию безразрывного переключения источников.

Как правило требования в «м\с» заказчики не предъявляют, но надо помнить что в любом современном видеокоммутаторе задержки составляют незначительные доли секунды, поэтому данные требования могут быть неактуальными.

HWP: Насколько важна в таких инсталляциях возможность изменения разрешения между источниками и экранами "на лету"? Допускаются ли при изменении разрешения "поля" по краям картинки, или заказчики требуют, чтобы картинка была идеально развернута на всю площадь экрана?

TEGRUS: При покупке видеостены Заказчик безусловно рассчитывает на 100% использование всей полезной площади. Если же возникают какие-то незаполненные контентом поля, это может говорить лишь о некорректно выбранном решение по коммутации. Все источники сигнала должны поддерживать те же пропорции, что и потребители (например, 16:9 в случае Full HD), в этом случае никаких полей не должно возникать. Чтобы избежать возможных проблем такого рода мы всегда стараемся унифицировать разрешение от Full HD до 4K, в зависимости от требований Заказчика.

Управления матричным коммутатором Aten VM6404H может осуществляться с фронтальной панели кнопками, если устройство установлено на столе оператора. Удалённое управление производится как через RS-232 при использовании контроллера Aten VK2100 (об этом будет сказано ниже), так и через Web-интерфейс, что более удобно в небольших инсталляциях.

При первоначальной настройке вы производите настройку профиля: задаёте конфигурацию панелей отображения, масштабирование видеостены и параметры EDID, которые "матрица" будет сообщать подключенным источникам сигнала, чтобы исключить использование неподдерживаемых разрешений (например, черезстрочных). Здесь так же можно указать параметры установки HDCP, например чтобы сообщать ноутбукам о том, что HDCP не поддерживается.

Каждый проектировщик переговорного помещения или системы ВКС стремится разместить коммутационное оборудование как можно ближе к экранам и источникам видеосигнала, но не всегда заказчик соглашается жертвовать полезную площадь помещения под серверный шкаф. В таких случаях применяется стандарт HDBaseT, передающий по обычной витой паре категории 5/6 аудио и видео данные, а так же сигналы управления и локальную сеть на расстояние до 100 метров в разрешении 4K или 150 метров 1080p в режиме Long Reach. В матричных коммутаторах Aten, порты HDBaseT используются совместно с HDMI интерфейсами, позволяя выводить одновременно картинку на ближние и дальние экраны. Если вы просматриваете видео в соседнем помещении через HDBaseT, то наверняка возникнет вопрос управления видеоплеерами с обычного ИК-пульта. Интерфейс HDBaseT позволяет транслировать обратно сигналы управления так же через витую пару, но уже от телевизора к видеоплееру. Для этого к матричному коммутатору подключаются ИК передатчики, которые можно направить на видеоплеер для трансляции сигналов с пульта ДУ.

Некоторые видео экстендеры, поддерживаемые HDBaseT

• VE801 - 4K
• VE802 - 4K, бесподрывное переключение, управление по ИК-каналу
• VE811 - 4K
• VE812 - 4K
• VE814 - 4K
• VE601 - 1080p
• VE901 - 4K
• VE805, VE816R - приёмники с функцией видеостены, работающие только в паре с матричными коммутаторами с HDBaseT выходами. Поддержка разрешений1080p, бесподрывное переключение, функция видео стены, управление по ИК-каналу

Некоторые телевизоры имеют вход HDBaseT, а для подключения большинства панелей и проекторов на значительном расстоянии, применяется простая схема: сигнал с матричного коммутатора выводится по экранированной витой паре до телевизора, а уже возле него устанавливается ресивер из комплекта видео-экстендеров Aten. Модель ресивера VE802R, например, поддерживает режим питания Power Over HDBaset, при котором сам матричный коммутатор передаёт электрическую мощность с бюджетом до 15.4 Вт по той же витой паре, что и видеосигнал.

Контроллер управления, ATEN VK2100

Вы настроили видеостену, подвесные мониторы и проекторы, но осталась лишь малость - установить управление электрическими шторами, экраном и освещением со смартфона. В крупных конференц-залах за управление видеосистемой отвечает отдельный оператор, который как дирижёр выбирает и наводит камеры, переключает видео трансляции, а может одновременно и передавать микрофон между разными спикерами. В идеальном варианте он не имеет доступа к настройкам матричного коммутатора, а управляет его работой через приложение, установленное на планшете или через web-интерфейс. Чтобы облегчить труд оператора, в контроллерах Aten есть функция создания собственного графического интерфейса управления конференц-залом с помощью приложения Aten Control System App. В этом приложении имеется возможность создания собственной карты управления - вам нужно лишь на компьютере под Windows нарисовать схему вашего помещения, выделить виртуальные кнопки и назначить им соответствующие терминальные команды, после чего вы можете загрузить карту на контроллер и управлять устройствами с планшета, нажимая понятные иконки, будь то фотографии спикеров или обозначения вроде «большой экран».

Aten VK2100 управляет любыми устройствами, имеющими RS232 порт или доступ по Telnet, TCP, UDP, ONVIF и PJLink. На сегодняшний день это практически вся профессиональная техника: проекторы, видеопанели, автоматические шторы и жалюзи и контроллеры освещения. В случае, если какое-то из устройств не имеет ни RS232 ни Telnet входа, то им можно управлять, обучив Aten VK2100 передавать команды в ИК-диапазоне.

С помощью Aten VK2100 можно настроить автоматические действия, например, чтобы при включении микрофона в коллегиальном зале, происходило переключение на другую камеру, которая снимает с другого ракурса, менялся уровень зума и/или приглушался свет.

HWP: Важно ли для заказчиков иметь унифицированное управление через единую эко-систему коммутаторов сигналов?

TEGRUS: Да, важно, но надо помнить, что за управление теми самыми коммутаторами отвечает еще одна система - система управления и автоматизации, со своим набором оборудования. Зачастую и сами производители матричных коммутаторов имеют в своем портфеле решения для управления и автоматизации. Самые известные поставщики подобных систем - Crestron, Extron, AMX. 

Возможности коммутации Aten VK2100 могуть быть увеличены подключением дополнительных расширителей интерфейсов:

• VK248 - 8 каналов реле
• VK236 - 6 портов инфракрасного сигнала / RS232
• VK224 - 4 двунаправленных канала RS232

Связь между головным устройством Aten VK2100 и расширителями интерфейсов осуществляется по локальной сети Ethernet.

Основные вопросы обслуживания и требования заказчиков: опыт интегратора

Помимо крупных государственных компаний, заказчиками матричных коммутаторов выступают и спорт-бары, где нужно вывести трансляцию с одного спутникового приёмника на десяток экранов на большой площади, и образовательные организации, где применяются интерактивные программы обучения.

HWP: Насколько востребована поддержка разрешений 4k, 3D? Насколько важны для заказчиков отсутствие сжатия и идеальное качество картинки?

TEGRUS: Поддержка 4K сегодня является чуть ли не основным требованием Заказчика, поскольку требуется смотреть в будущее и ориентироваться на форматы, которые будут актуальны через несколько лет.

Что же касается 3D-технологий, то они могут быть как обязательной неотъемлемой частью проекта, например, при построении обучающего центра, либо рассматриваются как возможное дополнительное оснащение конференц-зала или другого помещения.

Отсутствие сжатия играет большую роль при демонстрации презентационных материалов или графиков, карт или визуализации. На сегодняшний день все используемые нами коммутаторы выдают идеальную картинку.

Розничная стоимость матричных коммутаторов зависит от количества интерфейсов, поддержки разрешения 4K и расширенных функций, таких как бесподрывное переключение, коммутация HDCP-зашифрованного контента и различных собственных разработок производителя. Матрица Aten VM3404H с конфигурацией 4х4 имеет стоимость около 3800$, а модель VM6809H с конфигурацией 8х9 стоит 10300$. Самый дорогой бесподрывный немодульный коммутатор Aten VM51616H имеет цену 16700$. Протестированная нами Aten VM6404H имеет розничную стоимость 5000$.

Выводы

Помимо сравнительно низкой цены за само устройство и коэффициента стоимости за порт, "матрицы" Aten могут похвастаться поддержкой бесшовного переключения при несовпадении частоты кадров на входе и выходе. Грубо говоря, это "всеядное" ядро системы видеоконференцсвязи, которое одинаково хорошо работает с любыми полнокадровыми разрешениями и позволяет легко управлять процессом коммутации через Web-интерфейс.

К недостаткам "матриц" Aten можно отнести отсутствие единого софта для управления коммутатором со смартфона или ноутбука без использования контроллера VK2100. Всё-таки, на смартфонах и планшетах отдельная программа была бы удобнее, чем Web-интерфейс. Особенно, если в организации установлены повышенные требования к безопасности.

Скорость Aten VM6404H переключения измеряется в десятых долях секунды, и как видно из нашего теста, человеческий глаз не способен уловить сам процесс коммутации. Также не стоит опасаться задержки в трансляции при проходе сигнала через "матрицу" - тесты показывают, что буферизация FPGA процессора отнимает менее 0.07 секунды.

Михаил Дегтярёв (aka LIKE OFF)
26/10.2018