Средства мультимедиа

МультимедиатАФ это интерактивные системы, обеспечивающие работу с неподвижными изображениями и движущимся видео, анимированной компьютерной графикой и текстом, речью и высококачественным звуком.

Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т.д.

Появление систем мультимедиа подготовлено как с требованиями пракВнтики, так и с развитием теории. Однако, резкий рывок в этом направлении, произошедший в этом направлении за последние несколько лет, обеспечен прежде всего развитием технических и системных средств. Это и прогресс в развитии ПЭВМ: резко возросшие объем памяти, быстродействие, графические возможности, характеристики внешней памяти, и достижения в области видеотехники, лазерных дисков тАФ аналоговых и CD-ROM, а также их массовое внедрение. Важную роль сыграла так же разработка методов быстрого и эффективного сжатия и развертки данных.

Современный мультимедиатАУПК в полном тАЬвооружениитАЭ напоминает домашний стереофонический HiтАУFi комплекс, объединенный с дисплеемтАУтелевизором. Он укомплектован активными стереофоническими колонками, микрофоном и дисководом для оптических компакттАУдисков CDтАУROM (CD тАФ Compact Disc, компакттАУдиск; ROM тАФ Read only Memory, память только для считывания). Кроме того, внутри компьютера укрыто новое для ПК устройство тАФ аудиоадаптер, позволивший перейти к прослушиванию чистых стереофонических звуков через акустические колонки с встроенными усилителями.

ВИДЕО

При смешении сигналов основные проблемы возникают с видеотАУизображением. Различные ТВтАУстандарты, существующие в мире (NTSC, PAL, SEВнCAM), применение разных мониторов и видеоконтроллеров диктует разнообразие подходов в разрешении возникающих проблем. Однако в любом случае требуется синхронизация двух изображений, для чего служит устройство генлок (genlock). С его помощью на экране монитора могут быть совмещены изображение, сгенерированное компьютером (анимированная или неподвижная графика, текст, титры), и тАЬживоетАЭ видео. Если добавить еще одно устройство тАФ кодер (encoder), компьютерное изображение может быть преобразовано в форму ТВтАУсигнала и записано на видеопленку. "Настольные видеотАУстудиитАЭ, являющиеся одним из примеров применения систем мультимедиа, позволяют готовить совмещенные видеотАУкомпьютерные клипы, титры для видеофильмов, помогают при монтаже кинофильмов.

Системы такого рода не позволяют как-то обрабатывать или редактировать само аналоговое изображение. Для того, чтобы это стало возможным, его необходимо оцифровать и ввести в память компьютера. Для этого служат так называемые платы захвата (capture board, frame grabbers). Оцифровка аналоговых сигналов порождает огромные массивы данных. Так, кадр стандарта NTSC (525 строк), преобразованный платой типа Truevision, превращается в компьютерное изображение с разрешением 512x482 пиксель. Если каждая точка представлена 8 битами, то для хранения всей картинки требуется около 250 Кбайт памяти, причем падает качество изображения, так как обеспечивается только 256 различных цветов. Считается, что для адекватной передачи исходного изображения требуется 16 млн. оттенков, поэтому используется 24-битовый формат хранения цветной картинки, а необходимый размер памяти возрастает. Оцифрованный кадр может затем быть изменен, отредактирован обычным графическим редактором, могут быть убраны или добавлены детали, изменены цвета, масштабы, добавлены спецэффекты, типа мозаики, инверсии и т.д.

Запись последовательности кадров в цифровом виде требует от компьютера больших объемов внешней памяти: частота кадров в американском ТВтАУстандарте NTSC тАФ 30 кадров/с (PAL, SECAM тАФ 25 кадров/с), так что для запоминания одной секунды полноцветного полноэкранного видео требуется 20тАУ30 Мбайт, а оптический диск емкостью 600 Мбайт вместит менее полминуты изображения. Но последовательность кадров недостаточно только запомнить, ее надо еще вывести на экран в соответствующем темпе. Подобной скоростью передачи информации тАФ около 30 Мбайт / с тАФ не обладает ни одно из существующих внешних запоминающих устройств. Чтобы выводить на экран компьютера оцифрованное видео, приходится идти на уменьшение объема передаваемых данных, (вывод уменьшенного изображения в небольшом окне, снижение частоты кадровой развертки до 10тАУ15 кадров / с, уменьшение числа бит / пиксель), что, в свою очередь приводит к ухудшению качества изображения.

Более радикально обе проблемы тАФ памяти и пропускной способности тАФ решаются с помощью методов сжатия и развертки данных, которые позволяют сжимать информацию перед записью на внешнее устройство, а затем считывать и разворачивать в реальном режиме времени при выводе на экран. Так, для движущихся видеотАУизображений существующие адаптивные разностные алгоритмы могут сжимать данные с коэффициентом порядка 100:1тАФ 160:1, что позволяет разместить на CDтАУROM около часа полноценного озвученного видео.

Существует симметричная и асимметричная схемы сжатия данных. При асимметричной схеме информация сжимается в автономном режиме (т.е. одна секунда исходного видео сжимается в течение нескольких секунд или даже минут мощными параллельными компьютерами и помещается на внешний носитель, например CDтАУROM. На машинах пользователей устанавливаются сравнительно дешевые платы декодирования, обеспечивающие воспроизведение информации мультимедиа в реальном времени. Использование такой схемы увеличивает коэффициент сжатия, улучшает качество изображения, однако пользователь лишен возможности разрабатывать собственные продукты мультимедиа. При симметричной схеме сжатие и развертка происходят в реальном времени на машине пользователя, благодаря чему за персональными компьютерами и в этом случае сохраняется их основополагающее достоинство: с их помощью любой пользователь имеет возможность производить собственную продукцию, в том числе и коммерческую, не выходя из дома. Правда, при симметричной схеме несколько падает качество изображения: появляются тАЬсмазанныетАЭ цвета, картинка как бы расфокусируется. С развитием технологии эта проблема постепенно уходит, однако пока иногда предпочитают смешанную схему, при которой разработчик продукта готовит, отлаживает и испытывает продукт мультимедиа на своей машине с симметричной схемой, а затем тАЬполуфабрикаттАЭ в стандартном формате отсылается на фирму, где его подвергают сжатию на мощном компьютере, с использованием более совершенных алгоритмов и помещают результирующий продукт на CDтАУROM.

В настоящее время целый ряд фирм активно ведет разработку алгоритмов сжатия видеоинформации, стремясь достичь коэффициента сжатия порядка 200:1 и выше. В основе наиболее эффективных алгоритмов лежат различные адаптивные варианты: DCT (Discrete Cosine Transform, дискретное косинустАУпреобразование), DPCM (Differential Pulse Code Modulation, разностная импульснотАУкодовая модуляция), а также фрактальные методы. Алгоритмы реализуются аппаратно тАФ в виде специальных микросхем, или тАЬfirmwareтАЭ тАФ записанной в ПЗУ программы, либо чисто программно.

Разностные алгоритмы сжатия применимы не только к видеотАУизображениям, но и к компьютерной графике, что дает возможность применять на обычных персональных компьютерах новый для них вид анимации, а именно покадровую запись рисованных мультфильмов большой продолжительности. Эти мультфильмы могут хранится на диске, а при воспроизведении считываться, распаковываться и выдаваться на экран в реальном времени, обеспечивая те же необходимые для плавного изображения 25тАУ30 кадров в секунду.

При использовании специальных видеотАУадаптеров (видеобластеров) мультимедиатАУПК становятся центром бытовой видеотАУсистемы, конкурирующей с самым совершенным телевизором.

Новейшие видеоадаптеры имеют средства связи с источниками телевизионных сигналов и встроенные системы захвата кадра (компрессии / декомпрессии видеосигналов) в реальном масштабе времени, т.е. практически мгновенно. Видеоадаптеры имеют быструю видеопамять от 2 до 4 Мбайт и специальные графические ускорители процессоры. Это позволяет получать до 30тАУ50 кадров в секунду и обеспечить вывод подвижных полноэкранных изображений.

АУДИО

Любой мультимедиатАУПК имеет в своем составе платутАУаудиоадаптер. Для чего она нужна? С легкой руки фирмы Creative Labs (Сингапур), назвавшей свои первые аудиоадаптеры звонким словом Sound Blaster, эти устройства часто именуются тАЬсаундбластерамитАЭ. Аудиоадаптер дал компьютеру не только стереофоническое звучание, но и возможность записи на внешние носители звуковых сигналов. Как уже было сказано ранее, дисковые накопители ПК совсем не подходят для записи обычных (аналоговых) звуковых сигналов, так как рассчитаны для записи только цифровых сигналов, которые практически не искажаются при их передаче по линиям связи.

Аудиоадаптер имеет аналоготАУцифровой преобразователь (АЦП), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой сигнал.

Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAVтАУфайлов). Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифротАУаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами аудиоадаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования.

Частоты квантования показывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала для преобразования в цифровой код. Обычно они лежат в пределах от 4тАУ5 КГц до 45тАУ48 КГц.

Разрядность квантования характеризует число ступеней квантования и изменяется степенью числа 2. Так, 8тАУразрядные аудиоадаптеры имеют 28=256 степеней, что явно недостаточно для высококачественного кодирования звуковых сигналов. Поэтому сейчас применяются в основном 16-разрядные аудиоадаптеры, имеющие 216 =65536 ступеней квантования тАФ как у звукового компакттАУдиска.

Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации по ней формируется соответствующий выходной сигнал. Современные аудиоадаптеры синтезируют музыкальные звуки двумя способами: методом частотной модуляции FM (Frequency Modulation) и с помощью волнового синтеза (выбирая звуки из таблицы звуков, Wave Table). Второй способ обеспечивает более натуральное звучание.

Частотный синтез (FM) появился в 1974 году (PCтАУSpeaker). В 1985 году появился AdLib, который, используя частотную модуляцию, был способен играть музыку. Новая звуковая карта SoundBlaster уже могла записывать и воспроизводить звук. Стандартный FMтАУсинтез имеет средние звуковые характеристики, поэтому на картах устанавливаются сложные системы фильтров против возможных звуковых помех.

Суть технологии WTтАУсинтеза состоит в следующем. На самой звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с тАЬзашитымитАЭ в него образцами звучания настоящих музыкальных инструментов тАФ сэмплами, а WTтАУпроцессор с помощью специальных алгоритмов даже по одному тону инструмента воспроизводит все его остальные звуки. Кроме того многие производители оснащают свои звуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записывать произвольные сэмплы, но и подгружать новые инструменты.

Кстати, управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) устройства. Собственно MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDIтАУсообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе. В свою очередь компьютер может через MIDI управлять различными тАЬинтеллектуальнымитАЭ музыкальными инструментами с соответствующим интерфейсом.

Для электронных синтезаторов обычно указывается число одновременно звучащих инструментов и их общее число (от 20 до 32). Также важна и программная совместимость аудиоадаптера с типовыми звуковыми платформами (SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravis Ultrasound и др.).

В новейшие звуковые карты входит цифровой сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor) или расширенный сигнальный процессор ASP (Advanced Signal Processor). Они используют совершенные алгоритмы для цифровой компрессии и декомпрессии звуковых сигналов, для расширения базы стереозвука, создания эха и обеспечения объемного (квадрофонического) звучания. Программа поддержки ASP Q Sound поставляется бесплатно фирмой Intel на CD-ROM тАЬSoftware Developer CDтАЭ. Важно отметить, что процессор ASP используется при обычных двухканальных стереофонических записи и воспроизведении звука. Его применение не загружает акустические тракты мультимедиа компьютеров.

НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

Важной проблемой мультимедиа является обеспечение адекватных средств доставки, распространения мультимедиатАУинформации. Носители должны вмещать огромные объемы разнородной информации, позволять быстрый доступ к отдельным ее компонентам, качественное их воспроизведение, и при этом быть достаточно дешевым, компактным и надежным. Эта проблема получила достойное решение лишь с появлением оптических дисков различных типов. В первых системах мультимедиа были использованы аналоговые диски - их обычно называют тАЬвидеодискамитАЭ. Диаметр этих дисков 12 или 8 дюймов. Известны 12тАУдюймовые диски стандарта LV (Laser Vision), поддерживаемого Sony, Philips и Pioneer.

Информация записывается на лазерный диск по спирали, каждый виток этой спирали называется дорожкой. Существуют 2 способа записи информации на лазерные диски тАФ CAV (Constant Angular Velocity, с постоянной угловой скоростью) и CLV (Constant Linear Velocity, с постоянной линейной скоростью). При записи CLV диски вмещают по 1 часу видео на каждой из сторон (диски CLV называют также тАЬдолгоиграющимитАЭ), однако их интерактивные возможности ограничены, поэтому они в системах мультимедиа используются редко, чаще применяются при записи фильмов.

Диск CAV вмещает на каждой дорожке один видеокадр (точнее, два полукадра, содержащие четные и нечетные строки кадра тАФ телевизор работает в интерлейсном режиме, попеременно высвечивая четные и нечетные строки каждого кадра). Диск вращается с постоянной скоростью 30 об / с, обеспечивая необходимые для NTSC 30 кадров / с. Каждая из сторон диска имеет 54000 дорожек, т.е. вмещает 30 минут видео NTSC (диски для PAL тАФ 37 минут). Каждый кадр имеет свой номер, или адрес, по номеру возможен прямой доступ к любому кадру. Кадры могут трактоваться как неподвижные изображения тАФ для этого после завершения считывания дорожки устройство не переходит на следующую, а вновь считывает ту же самую); возможно также проигрывание с разными скоростями и в обратном направлении. Вместе с изображением записываются две звуковые дорожки, доступные, впрочем, только при просмотре кадров в режиме видео. Информацию на диске можно разбить на тАЬчаститАЭ тАФ до 80 частей на каждой из сторон. Управляющая информация тАФ номера кадров, номера частей тАФ помещается в тАЬбланковыхтАЭ (невидимых) частях кадров.

Промежуточный, тАЬаналоготАУцифровойтАЭ формат лазерных дисков тАФ LVROM, илиAIV (Advanced Interactive Video, улучшенное интерактивное видео) тАФ позволяет сочетать на одном диске аналоговое видео с цифровым звуком и данными.

Наконец, существуют разные типы чисто цифровых дисков: CDтАУROM, WORM, стираемые. CDтАУROM, как и цифровые аудиотАУкомпакттАУдиски CDтАУDA (Compact Disc тАФ Digital Audio)имеют диаметр 5.25 дюйма; они вмещают 500тАУ600 Мбайт информации и являются сейчас наиболее массовым цифровым средством доставки мультимедиатАУинформации.

CDтАУROM диск тАФ кружок из прозрачной пластмассы, поликарбоната, на одной из поверхностей которого нанесен тонкий светоотражающий слой. Этот серебристый слой хорошо виден с тыльной стороны прозрачного диска. В нем имеются микроскопические углубления - питы, созданные в процессе его копирования с оригинала.

Типичная длина пита 0.8 тАУ 3.2 мкм, ширина 0.4 мкм, глубина 0.12 мкм, а расстояние между отдельными дорожками 1.6 мкм. На одном дюйме (2.54 см) поверхности диска размещается 16 тыс. дорожек (для сравнения тАФ на одном дюйме магнитного диска помещается только 96 дорожек). Благодаря столь малым размерам битов обычный CDтАУROM вмещает огромный объем информации тАФ порядка 700 Мбайт. Новые типы дисков имеют на порядок больший объем и допускают запись информации пользователем.

Рабочей является только одна поверхность диска CDтАУROM. Она защищена толстым слоем лака, на который обычно наносится красочная этикетка. В проигрывателе диск обращен этой стороной наружу. Противоположная (тыльная) сторона используется для считывания лазерным лучом. Луч проходит сквозь нее, так как основа диска тАФ прозрачная пластмасса. Толщина диска 1.2 мм, внешний диаметр 120 мм, диаметр внутреннего отверстия 15 мм.

В проигрывателе имеется электродвигатель со следящей системой, обеспечивающей точное считывание дорожки лазерным лучом и неизменную линейную скорость считывания. Поэтому скорость вращения диска непостоянна и изменяется от 500 об. / мин. для внутренней части диска, с которой начинается считывание, до 200 об. / мин. для внешней. Специальный оптикотАУэлектронный блок имеет устройства для стабилизации излучения лазера, автоматической фокусировки, слежения за дорожкой при биении диска и выбора треков диска для считывания.

Для считывания информации с CDтАУROM используется полупроводниковый диод с фокусирующей и следящей оптической системой. Внутренняя поверхность диска, на которую кладут диск на подставку (в кассету) дисковода, находится не в фокусе оптической системы лазерного излучателя. Диаметр светового пятна от лазера, создающего сходящийся конус света, порядка 1 мм. Поэтому умеренные загрязнения нерабочей поверхности, например, пылинки на ней, отпечатки пальцев и даже небольшие царапины практически не влияют на воспроизведение. В отличие от привычных жестких магнитных дисков, диски CDтАУROM можно заменять в считанные секунды. А ведь один диск CDтАУROM по емкости равен примерно 500тАУм обычным гибким дискам формата 3.5тАЬ на 1.44 Мбайт. Экономия на дискетах является немаловажным достоинством мультимедиа.

Проигрыватели компьютерных компакттАУдисков, обычно называемые CDтАУROMтАУдрайвами, бывают двух типов: внешние (со своим корпусом) и внутренние тАФ встраиваемые в системный блок компьютера. Последние напоминают накопители на гибких магнитных 5.25тАУдюймовых дискетах и имеют одинаковые с ним размеры.

На передней панели дисковода CDтАУROM обычно имеется кнопка Eject для выброса или плавного выдвижения поддона, индикатор Busy(занято), гнездо для подключения стереотелефонов и регулятор громкости, используемый при проигрывании звуковых дисков.

Полноценное тАЬвооружениетАЭ мультимедиатАУПК требует подключения к нему множества внешних устройств: аудиотАУ и видеоадаптеров, телевизионных и радиотАУтюнеров, дисководов CDтАУROM, джойстиков, клавиатуры MIDI и т.д. Все они обслуживаются массой программных утилит тАФ драйверов и нередко конфликтуют друг с другом. В этой связи крупные разработчики ПК объединили усилия в создании стандарта Plug and Play (включай и играй). Этот стандарт тАФ обширный комплекс программных и аппаратных средств по полностью автоматической настройке конфигурации компьютера в соответствии с используемым с ним оборудованием.

Технология PnP (или PlugтАЩnтАЩPlay) предполагает, что достаточно включить компьютер, как все аппаратные и программные средства автоматически оптимально настроятся и станут работать без сбоев и конфликтов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. С. Новосельцев тАЬМультимедиа тАФ синтез трех стихийтАЭ. КомпьютертАУПресс, 7тАЩ91.

2. В. Дьяконов тАЬМультимедиатАУПКтАЭ. Домашний Компьютер, 1тАЩ96.

3. В.Э. Фигурнов тАЬIBM PC для пользователя. Краткий курстАЭ тАУ М.: ИНФРА-М, 1998.

Вместе с этим смотрят:

Bipolar transistors

GPS-навигация

GPS-прийомник авиационный

IP-телефонiя

IP-телефония