ОБРОБКА І ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ. СУЧАСНІ КОМП'ЮТЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ - Золота колекція рефератів - 2018

МУЛЬТИМЕДІА ПК

Мультимедіа — це інтерактивні системи, що забезпечують роботу з нерухливими зображеннями й рухливим відео, анімованою комп’ютерною графікою й текстом, мовленням і високоякісним звуком.

Поява систем мультимедіа, безумовно, призводить до революційних змін в таких галузях, як освіта, комп’ютерний тренінг, у багатьох сферах професійної діяльності, науки, мистецтва, у комп’ютерних іграх і т. д.

Поява систем мультимедіа обумовлена як вимогами практики, так і розвитком теорії. Однак різкий ривок у цьому напрямку, що відбувся за останні кілька років, забезпечений насамперед розвитком технічних і системних засобів. Це насамперед прогрес у розвитку ПЕОМ: різке збійльшення обсягу нам’яті, швидкодія, графічні можливості, характеристики зовнішньої пам’яті й досягнення в галузі відеотехніки, лазерних дисків — аналогових і CD- ROM, а також їхнє масове впровадження. Важливу роль зіграла також розробка методів швидкого й ефективного стискання /розгортки даних.

Сучасний мультимедіа ПК у всеозброєнні нагадує домашній стереофонічний Ні-Fі-комплекс,об’єднаний з дисплеєм. Він укомплектований активними стереофонічними колонками, мікрофоном і дисководом для оптичних компакт-дисків CD-ROM (CD - Compact Disc, компакт-диск; ROM — Read only Memory, «пам’ять тільки для зчитування»). Крім того, усередині комп’ютера ховається новий для ПК пристрій — аудіоадаптер, що дозволив перейти до прослуховування чистих стереофонічних звуків через акустичні колонки з убудованими підсилювачами.

Розглянемо деякі технічні питання, що стосуються мультимедіа. Основна проблема, з якої «ростуть» всі інші, — спільна обробка різнорідних даних: цифрових і аналогових, «живого» відео й нерухливих зображень тощо. У комп’ютері всі дані зберігаються в цифровій формі, у тон час як теле-, відео- і більшість аудіоапаратури має справу з аналоговим сигналом. Однак вихідні пристрої комп’ютера — монітори й динаміки - мають аналоговий вихід. Тому найпростіший і найдешевший шлях побудови перших систем мультимедіа складався в стикуванні різнорідної апаратури з комп’ютером, наданні комп’ютеру можливостей управління цими пристроями, сполученні вихідних сигналів комп’ютера й відео- і аудіопристроїв і забезпеченні їх нормальної спільної роботи. Подальший розвиток мультимедіа відбувається в напрямку об’єднання різнорідних типів даних у цифровій формі на одному середовищі-носії, у рамках однієї системи.

ВІДЕО

При змішанні сигналів виникають проблеми із відеозображенням. Різні ТВ-стандарти, що існують у світі (NTSC, PAL, SECAM), застосування різних моніторів і відеоконтролерів диктують розмаїтість підходів у вирішенні виниклих проблем. Однак у кожному разі потрібна синхронізація двох зображень, для чого слугує пристрій генлок (genlock). З його допомогою на екрані монітора можуть бути сполучені зображення, згенеровані комп’ютером (анімована або нерухлива графіка, текст, титри), і «живе» відео. Якщо додати ще один пристрій — кодер (encoder), комп’ютерне зображення може бути перетворене у форму ТВ-сигиалу й записане на відеоплівку. «Настільні відеостудії», що є одним із прикладів застосування систем мультимедіа, дозволяють робити сполучені відеокомп’ютерні кліпи, титри для відеофільмів, допомагають при монтажі кінофільмів.

Системи такого роду не дозволяють обробляти або редагувати власне аналогове зображення. Для того щоб це стало можливим, його необхідно оцифрувати і ввести у пам’ять комп’ютера. Для нього слугують так звані плати захвата (capture board, frame grabbers). Оцифрування аналогових сигналів породжує величезні масиви даних. Так,

кадр стандарту NTSC (525 рядків), перетворений платою типу Truevision, перетворюється на комп’ютерне зображення з дозвільною здатністю 512 х 482 пікселі.. Якщо кожна точка представлена 8 бітами, то для зберігання всієї картинки потрібно близько 250 Кбайт нам’яті, причому падає якість зображення, тому що забезпечується тільки 256 різних кольорів. Уважається, що для адекватної передачі вихідного зображення потрібно 16 млн відтінків, тому використовується 24-бітовий формат зберігання кольорової картинки, а необхідний розмір пам’яті зростає.

Оцифровапий кадр потім може бути змінений, відредагований звичайним графічним редактором, можуть бути вилучені або додані деталі, змінені кольори, масштаби, введені спецефекти типу мозаїки, інверсії тощо. Природно, інтерактивна екранна обробка можлива лише в межах дозвільної здатності, забезпечуваної цим конкретним відеоадаптером. Оброблені кадри можуть бути записані па диск у якому-небудь графічному форматі й потім використовуватися як реалістичне нерухливе тло для комп’ютерної анімації. Можлива також покадрова обробка вихідного зображення й виведення назад на відеострічку для створення псевдореалістичного мультфільму.

Запис послідовності кадрів у цифровому вигляді вимагає від комп’ютера великих обсягів зовнішньої пам’яті: частота кадрів в американському ТВ-стандарті NTSC — 30 кадрів/с (PAL, SECAM — 25 кадрів/с), так що для запам’ятовування однієї секунди повиокольорового повноекранного відео потрібно 20-30 Мбайт, а оптичний диск ємністю 600 Мбайт умістить менше півхвилини зображення. Але послідовність кадрів недостатньо тільки запам’ятати, її треба ще вивести на екран у відповідному темпі. Подібною швидкістю передачі інформації — близько 30 Мбайт/с — не характеризується жоден з існуючих зовнішніх запам’ятовувальних пристроїв. Щоб виводити на екран комп’ютера оцинфровапе відео, доводиться йти на зменшення обсягу переданих даних (виведення зменшеного зображення в невеликому вікні, зниження частоти кадрової розгортки до 10-15 кадрів/с, зменшення числа бі г/піксель), що, у свою чергу, призводить до погіршення якості зображення.

Більш радикально обидві проблеми — пам’яті й пропускної здатності — вирішуються за допомогою методів стиснення/розгортки даних, які дозволяють стискати інформацію перед записом па зовнішній пристрій, а потім зчитувати й розгортати в реальному режимі часу при виведенні на екран. Так, для рухливих відеозображень існуючі адаптивні різницеві алгоритми можуть стискати дані з коефіцієнтом порядку 100:1-160:1, що дозволяє розмістити на CD-ROM близько години повноцінного озвученого відео. Робота цих алгоритмів грунтується на тому, що зазвичай наступний кадр відрізняється від попередніх лише деякими деталями, тому, взявши якийсь кадр за базовий, для наступних можна зберігати тільки відносні зміни. При значних змінах кадру, наприклад, при монтажній склейці або панорамуванні камери, автоматично вибирається новий базовий кадр. Для статичних зображень коефіцієнт стиснення, природно, нижчий, близько. 20-30:1. Для аудіоданних застосовують інші методи компресії.

Існують симетрична й асиметрична схеми стиснення даних. При асиметричній схемі інформація стискається в автономному режимі (тобто одна секунда вихідного відео стискується протягом декількох секунд або навіть хвилин потужними паралельними комп’ютерами й поміщається на зовнішній носій, наприклад CD-ROM. На машинах користувачів установлюються порівняно дешеві плати декодування, що забезпечують відтворення інформації мультимедіа в реальному часі. Використання такої схеми збільшує коефіцієнт стиснення, поліпшує якість зображення, однак користувач не має змоги розробляти власні продукти мультимедіа. При симетричній схемі стиснення і розгортка відбуваються в реальному часі на машині користувача, завдяки чому за персональними комп'ютерами й у цьому випадку зберігається основна перевага: з їхньою допомогою будь-який користувач має можливість виробляти власну продукцію, у тому числі й комерційну, не виходячи з будинку. Щоправда, при симетричній схемі трохи знижується якість зображення: з’являються «змазані» кольори, картинка ніби розфокусовується. З розвитком технології ця проблема поступово відходить у минуле, однак поки іноді віддають перевагу змішаній схемі, при якій розроблював продукту готує, налагоджує й випробовує продукт мультимедіа на своїй машині з симетричною схемою, а потім «напівфабрикат» у стандартному форматі відсилається на фірму, де його піддають стисненню па потужному комп’ютері з використанням досконаліших алгоритмів і поміщають кінцевий продукт на CD-ROM.

Сьогодні цілий ряд фірм активно веде розробку алгоритмів стиснення відеоінформації, прагнучи лося іти коефіцієнта стиснення близько 200:1 і вище. В основі найефективніших алгоритмів лежать різні адаптивні варіанти: DCT (Discrete Cosine Transform — дискретне косинус-перетворення), DPCM (Differential Pulse Code Modulation — різницева імпульсно-кодова модуляція), а також фрактальні методи. Алгоритми реалізуються апаратно - у вигляді спеціальних мікросхем, або «firmware» — записаної в ПЗП програми, або чисто програмно.

Різницеві алгоритми стиснення застосовуються не тільки до відеозображень, але й до комп’ютерної графіки, що дає можливість використовувати на звичайних персональних комп'ютерах повий для них вид анімації, а саме покадровий запис мальованих мультфільмів великої тривалості. Ці мультфільми можуть зберігатися на диску, а при відтворенні зчитуватися, розпаковуватися й видаватися на екран у реальному часі, забезпечуючи ті ж необхідні для плавного зображення 25-30 кадрів на секунду.

При використанні спеціальних відеоадаптерів (відеобластерів) мультимедіа ПК стають центром побутової відеосистеми, що конкурує з найдосконалішим телевізором.

Новітні відеоадаптери мають засоби зв’язку з джерелами телевізійних сигналів та убудовані системи захвату кадру (компресії/декомпресії відеосигналів) у реальному масштабі часу, тобто практично миттєво. Відеоадаптери мають швидку відеопам'ять від 2 до 4 Мб і спеціальні графічні пришвидшувачі-процесори. Це дозволяє одержувати до 30-50 кадрів на секунду й забезпечити виведення рухливих повноекранних зображень.

АУДІО

Будь-який мультимедіа ГІК має у своєму складі плату-аудіоадаптер. Для чого вона потрібна? З легкої руки фірми Creative Labs (Сінгапур), що назвала свої перші аудіоадаптери дзвінким словом Sound Blaster, ці пристрої часто йменуються «саундбластерами». Аудіоадаптер дав комп’ютеру не тільки стереофонічне звучання, але й можливість запису на зовнішні носії звукових сигналів. Як уже було сказано раніше, дискові накопичувані ПК зовсім не підходять для запису звичайних (аналогових) звукових сигналів, тому що розраховані для запису тільки цифрових сигналів, які практично не спотворюються при їхній передачі лініями зв’язку.

Аудіоадаптер має аналого-цифровий перетворювач (АЦП), що періодично визначає рівень звукового сигналу й перетворює цей відлік па цифровий код. Він і записується на зовнішній посій уже як цифровий сигнал.

Цифрові вибірки реального звукового сигналу зберігаються в пам’яті комп’ютера (наприклад, у вигляді WAV- файлів). Зчитаний з диска цифровий сигнал подається на цифроаналоговий перетворювач (ЦАП), який перетворює цифрові сигнали в аналогові. Після фільтрації їх можна підсилити й подати на акустичні колонки для відтворення. Важливими параметрами аудіоадаптера є частота квантування звукових сигналів і розрядність квантування.

Частоти квантування показують, скільки разів на секунду беруться вибірки сигналу для перетворення на цифровий код. Зазвичай вони лежать у межах від 4- 5 до 45 кГц.

Розрядність квантування характеризує кількість щаблів квантування й змінюється ступенем числа 2. Так, 8-розрядні аудіоадаптери мають 28 = 256 ступенів, що явно недостатньо для високоякісного кодування звукових сигналів. Тому зараз застосовуються в основному 16-розрядні аудіоадаптери, що мають 216 = 65 536 ступенів квантування — як у звукового компакт-диску.

Інший спосіб відтворення звуку полягає в його синтезі. При надходженні на синтезатор деякої керуючої інформації з неї формується відповідний вихідний сигнал. Сучасні аудіоадаптери синтезують музичні звуки двома способами: методом частотної модуляції FM (Frequency Modulation) і за допомогою хвильового синтезу (вибираючи звуки з таблиці звуків, Wave Table). Другий спосіб забезпечує натуральніше звучання.

Частотний синтез (FM) з’явився 1974 р. (PC-Speaker). У 1985 р. з’явився AdLib, в якому використовувалася частотна модуляція. Нова звукова карта SoundBlaster уже могла записувати й відтворювати звук. Стандартний FM- синтез має середні звукові характеристики, тому на картах установлюються складні системи фільтрів проти можливих звукових перешкод.

У чому ж полягає суть технології WT-синтезу? На самій звуковій карті встановлюється модуль ПЗП з «зашитими» у нього зразками звучання справжніх музичних інструментів - семплами, а WT-процесор за допомогою спеціальних алгоритмів навіть за одним тоном інструмента відтворює всі його інші звуки. Крім того, багато виробників оснащують свої звукові карги модуляторами ОЗП, так що є можливість не тільки записувати довільні семпли, але й довантажувати нові інструменти.

До речі, керуючі команди для синтезу звуку можуть надходити на звукову карту не тільки від комп'ютера, але й від іншого, наприклад, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) пристрою. Власне MIDI визначає протокол передачі команду стандартному інтерфейсі. MIDI-повідомлення містить посилання на поти, а не запис музики як такий. Зокрема, коли звукова карта одержує подібне повідомлення, воно розшифровується (які поти яких інструментів повинні звучати) і опрацьовується па синтезаторі. У свою чергу комп’ютер може через MIDI управляти різними «інтелектуальними» музичними інструментами з відповідним інтерфейсом.

Для електронних синтезаторів зазвичай вказується кількість інструментів, які можуть звучати одночасно, і їхня загальна кількість (від 20 до 32). Також важливою є програмна сумісність аудіоадаптера з типовими звуковими платформами (SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravis Ultrasound та in.).

Як приклад розглянемо склад вузлів одного з потужних аудіоадаптерів — SoundBlaster AWE 32 Value. Він містить два мікрофонні малошумні підсилювачі з автоматичним регулюванням посилення для сигналів, що надходять від мікрофона, два лінійні підсилювачі для сигналів, що надходять із лінії, з програвача звукових дисків або музичного синтезатора. Крім того, сюди входять програмно-керований електронний мікшер, що забезпечує змішання сигналів від різних джерел і регулювання їхнього рівня й стереобалансу, 20-голосий синтезатор музичних звуків частотної модуляції 1-М, програмно-керований хвильовий (табличний) синтезатор музичних звуків і звукових ефектів (16 каналів, 32 голоси, 128 інструментів), аналого-цифровий 16-розрядний перетворювач для перетворення аналогового сигналу а виходу мікшера на цифровий сигнал, систему стискання цифрової інформації з можливістю застосування розширеного звукового процесора ASP. Нарешті, аудіоадаптер має цифроаналоговнй перетворювач для перетворення цифрових сигналів, що несуть інформацію про звук, в аналоговий сигнал, адаптивний електронний фільтр на виході ЦАП, що знижує перешкоди від квантування сигналу, двоканальний підсилювач потужністю по 4 Вт па канал з ручним і програмно-керованим регулятором гучності й MIDI-з’єднувачі для підключення музичних інструментів.

Як видно з цього переліку, аудіоадаптер — досить складний технічний пристрій, побудований на основі використання останніх досягнень в аналоговій і цифровій аудіотехніці.

У новітні звукові карти входить цифровий сигнальний процесор DSP (Digital Signal Processor) або розширений сигнальний процесор ASP (Advanced Signal Processor). Вони використовують досконалі алгоритми для цифрової компресії й декомпресії звукових сигналів, для розширення бази стереозвуку, створення луни й забезпечення об’ємного (квадрофонічного)звучання. Програма підтримки ASP QSound поставляється безкоштовно фірмою Intel на CD-ROM «Software Developer CD». Важливо зазначити, що процесор ASP використовується при звичайних двоканальних стереофонічних записах й відтворенні звуку. Його застосування не завантажує акустичні тракти мультимедіа-комп’ютерів.

Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити