Мультимедиа и ее средства

Министерствообразования Российской Федерации
Комсомольский– на – Амуре техникум легкой промышленностиКафедра естественно – научных дисциплинРеферат по ИТ
Тема:Мультимедиа и ее средства.
Выполнил:
Студент 522 группы                                                          М.В.Перышкин
Преподаватель:                                                                  Г.А.Горбунова
2004
м
ультимедиа— это интерактивныесистемы, обеспечивающие ра­боту с непод­вижными изображениями и движущимсявидео, анимированной компьютерной графикой и текстом, речью и высококачественнымзвуком.
Появление системмультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях,как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональнойдеятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т.д.
Появление систем мультимедиаподготовлено как с требованиями прак­тики, так и с развитием тео­рии. Однако,резкий рывок в этом направлении, произошедший в этом направлении за последниенесколько лет, обеспечен прежде всего развитием технических и системныхсредств. Это и прогресс в развитии ПЭВМ: резко возросшие объем памяти,быстродействие, графиче­ские возможности, характеристики внешней памяти, и достиженияв об­ласти видеотехники, лазерных дисков — аналоговых и CD-ROM, а также их массовоевнедрение. Важную роль сыграла так же разработка методов быстрого иэффективного сжатия / развертки данных.
Современный мультимедиа–ПК вполном “вооружении” напоминает домашний стереофонический Hi–Fiкомплекс, объединенный с дисплеем–те­левизором. Он укомплектован активнымистереофоническими колонками, микрофоном и дисководом для оптическихкомпакт–дисков CD–ROM (CD — Compact Disc,компакт–диск; ROM— Read only Memory,память только для считывания). Кроме того, внутри компьютера укрыто новое для ПКустройство — аудиоадаптер, по­зволивший перейти к прослушиванию чистыхстереофонических звуков че­рез акустические колонки с встроенными усилителями.
Рассмотрим некоторыетехнические вопросы, касающиеся мультимедиа. Основная проблема, из которой“растут” все основные — совместная обработка разнородных данных: цифровых ианалоговых, “живого” видео и неподвижных изображений и т.п. В компьютере вседан­ные хранятся в цифровой форме, в то время как теле-, видео- и большин­ствоаудиоаппаратуры имеет дело с аналоговым сигналом. Однако выходные устройствакомпьютера — мониторы и динамики имеют анало­говый выход. Поэтому простейший инаиболее дешевый путь построения первых систем мультимедиа состоял в стыковкеразнородной аппаратуры с компьютером, предоставлении компьютеру возможностейуправления этими устройствами, совмещении выходных сигналов компьютера и видео-и аудиоустройств и обеспечении их нормальной совместной работы. Даль­нейшееразвитие мультимедиа происходит в направлении объедине­ния разнородных типовданных в цифровой форме на одной среде-носителе, в рамках одной системы.

ВИДЕО
При смешении сигналовосновные проблемы возникают с видео–изоб­ражением. Различные ТВ–стандарты,существующие в мире (NTSC, PAL, SE­CAM), применение разныхмониторов и видеоконтроллеров диктует разнообразие подходов в разрешениивозникающих проблем. Однако в лю­бом случае требуется синхронизация двухизображений, для чего служит устройство генлок (genlock).С его помощью на экранемонитора могут быть совмещены изображение, сгенерированное компьютером(анимированная или неподвижная графика, текст, титры), и “живое” видео. Еслидобавить еще одно устройство — кодер (encoder), компьютерное изо­бражение может бытьпреобразовано в форму ТВ–сигнала и записано на ви­деопленку. «Настольныевидео–студии”, являющиеся одним из примеров применения систем мультимедиа,позволяют готовить совмещенные видео–компьютерные клипы, титры длявидеофильмов, помогают при монтаже кинофильмов.
Системы такого рода непозволяют  как-то обрабатывать или редак­тироватьсамо аналоговое изображение. Для того, чтобы это стало воз­можным, егонеобходимо оцифровать и ввести в память компьютера. Для этого служат такназываемые платы захвата (capture board, frame grab­bers).Оцифровка аналоговых сигналов порождаетогромные массивы дан­ных. Так, кадр стандарта NTSC(525 строк),преобразованный платой типа Truevision, превращается вкомпьютерное изображение с разрешением 512x482 пиксель. Если каждаяточка представлена 8 битами, то для хранения всей картинки требуется около 250Кбайт памяти, причем падает качество изображения, так как обеспечивается только256 различных цветов. Считается, что для адекватной передачи исходногоизображения требуется 16 млн. оттенков, поэтому используется 24-битовый форматхранения цветной картинки, а необходимый размер памяти возрастает. Оцифрованныйкадр 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.Естественно, интерактивная экранная обработка возможна лишь в пределахразрешения, обеспечиваемого данным конкретным видеоадаптером. Обработанныекадры могут быть записаны на диск в каком–либо графическом формате и затемиспользоваться в качестве реалистического неподвижного фона для компьютернойанимации. Возможна также  покадровая  обработка исходногоизображения и вывод обратно на видеопленку для создания псевдореалистическогомультфильма.
Запись последовательностикадров в цифровом виде требует от компьютера больших объемов внешней памяти:частота кадров в американском ТВ–стандарте NTSC— 30 кадров/с (PAL, SECAM—25 кадров/с), так что для запоминания одной секунды полноцветногополноэкранного видео требуется 20–30 Мбайт, а оптический диск емкостью 600Мбайт вместит менее полминуты изображения. Но последовательность кадров недостаточнотолько запомнить, ее надо еще вывести на экран в соответствующем темпе.Подобной скоростью передачи информации — около 30 Мбайт / с — не обладает ниодно из существующих внешних запоминающих устройств. Чтобы выводить на экранкомпьютера оцифрованное видео, приходится идти на уменьшение объемапередаваемых данных, (вывод уменьшенного изображения в небольшом окне, снижениечастоты кадровой развертки до 10–15 кадров / с, уменьшение числа бит /пиксель), что, в свою очередь приводит к ухудшению качества изображения.
Более радикально обепроблемы — памяти и пропускной способности — решаются с помощью методов сжатия/ развертки данных, которые позволяют сжимать информацию перед записью навнешнее устройство, а затем считывать и разворачивать в реальном режиме временипри выводе на экран. Так, для движущихся видео–изображений существующие адаптивныеразностные алгоритмы могут сжимать данные с коэффициентом порядка 100:1— 160:1,что позволяет разместить на CD–ROMоколо часа полноценногоозвученного видео. Работа этих алгоритмов основана на том, что обычнопоследующий кадр отличается от предыдущего лишь некоторыми деталями, поэтому,взяв какой–то кадр за базовый, для следующих можно хранить только относительныеизменения. При значительных изменениях кадра, например, при монтажной склейке,наезде или панорамировании камеры, автоматически выбирается новый базовый кадр.Для статических изображений коэффициент сжатия, естественно, ниже — порядка20–30:1. Для аудиоданных применяют свои методы компрессии.
Существует симметричная иасимметричная схемы сжатия данных. При асимметричной схеме информация сжимаетсяв автономном режиме (т.е. одна секунда исходного видео сжимается в течениенескольких секунд или даже минут мощными параллельными компьютерами ипомещается на внешний носитель, например CD–ROM. На машинах пользователейустанавливаются сравнительно дешевые платы декодирования, обеспечивающиевоспроизведение информации мультимедиа в реальном времени. Использование  такой схемы увеличивает коэффициент сжатия,улучшает качество изображения, однако пользователь лишен возможности разрабатыватьсобственные продукты мультимедиа. При симметричной схеме сжатие и разверткапроисходят в реальном времени на машине пользователя, благодаря чему заперсональными компьютерами и в этом случае сохраняется их основополагающеедостоинство: с их помощью любой пользователь имеет возможность производитьсобственную продукцию, в том числе и коммерческую, не выходя из дома. Правда,при симметричной схеме несколько падает качество изображения: появляются“смазанные” цвета, картинка как бы расфокусируется. С развитием технологии этапроблема постепенно  уходит, однако покаиногда предпочитают смешанную схему, при которой разработчик продукта готовит,отлаживает и испытывает продукт мультимедиа на своей машине с симметричнойсхемой, а затем “полуфабрикат” в стандартном формате отсылается на фирму, гдеего подвергают сжатию на мощном компьютере, с использованием более совершенныхалгоритмов и помещают результирующий продукт на CD–ROM.
В настоящее время целый рядфирм активно ведет разработку алгоритмов сжатия видеоинформации, стремясьдостичь коэффициента сжатия порядка 200:1 и выше. В основе наиболее эффективныхалгоритмов лежат различные адаптивные варианты: DCT (Discrete Cosine Transform, дискретноекосинус–преобразование), DPCM(Differential Pulse Code Modulation,разностная импульсно–кодовая модуляция), а также фрактальные методы. Алгоритмы реализуютсяаппаратно — в виде специальных микросхем, или “firmware” — записанной в ПЗУпрограммы, либо чисто программно.
Разностные алгоритмы сжатияприменимы не только  квидео–изображениям, но и к компьютерной графике, что дает возможность применятьна обычных персональных компьютерах новый для них вид анимации, а именнопокадровую запись рисованных мультфильмов большой продолжительности. Этимультфильмы могут хранится на диске, а при воспроизведении считываться,распаковываться и выдаваться на экран в реальном времени, обеспечивая те женеобходимые для плавного изображения 25–30 кадров в секунду.
При использованииспециальных видео–адаптеров (видеобластеров) мультимедиа–ПК становятся центром бытовой видео–системы, конкурирующей ссамым совершенным телевизором.
Новейшие видеоадаптеры имеютсредства связи с источниками телевизионных сигналов и встроенные системызахвата кадра (компрессии / декомпрессии видеосигналов) в реальном масштабевремени, т.е. практически мгновенно. Видеоадаптеры имеют быструю видеопамять от2 до 4 Мбайт и специальные графические ускорители процессоры. Это позволяетполучать до 30–50 кадров в секунду и обеспечить вывод подвижных полноэкранныхизображений.
АУДИО
Любой мультимедиа–ПК имеет всвоем составе плату–аудиоадаптер. Для чего она нужна? С легкой руки фирмы Creative Labs (Сингапур),назвавшей свои первые аудиоадаптеры звонким словом Sound Blaster, эти устройства частоименуются “саундбластерами”. Аудиоадаптер дал компьютеруне только стереофоническое звучание, но и возможность записи на внешниеносители звуковых сигналов. Как уже было сказано ранее, дисковые накопители ПКсовсем не подходят для записи обычных (аналоговых) звуковых сигналов, так какрассчитаны для записи только цифровых сигналов, которые практически неискажаются при их передаче по линиям связи.
Аудиоадаптер имеетаналого–цифровой преобразователь (АЦП), периодически определяющий уровень звуковогосигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешнийноситель уже как цифровой сигнал.
Цифровые выборки реальногозвукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV–файлов).Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифро–аналоговыйпреобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрацииих можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важнымипараметрами аудиоадаптера являются частота квантования звуковых сигналов иразрядность квантования.
Частоты квантованияпоказывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала для преобразования вцифровой код. Обычно они лежат в пределах от 4–5 КГц до 45–48 КГц.
Разрядность квантованияхарактеризует число ступеней квантования и изменяется степенью числа 2. Так,8–разрядные аудиоадаптеры имеют 28=256 степеней, что явнонедостаточно для высококачественного кодирования звуковых сигналов. Поэтомусейчас применяются в основном 16-разрядные аудиоадаптеры, имеющие 216 =65536 ступеней квантования —  как у звукового компакт–диска.
Другой способвоспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезаторнекоторой управляющей информации по ней формируется соответствующий выходнойсигнал. Современные аудиоадаптеры синтезируют музыкальные звуки двумяспособами: методом частотной модуляции FM (Frequency Modulation)и с помощью волновогосинтеза(выбирая звуки из таблицы звуков, Wave Table). Второй способ обеспечиваетболее натуральное звучание.
Частотный синтез (FM)появился в 1974 году (PC–Speaker). В 1985 году появился AdLib,который, используя частотную модуляцию, был способен играть музыку. Новаязвуковая карта SoundBlasterуже могла записывать и воспроизводить звук.Стандартный FM–синтез имеет средние звуковые характеристики,поэтому на картах устанавливаются сложные системы фильтров против возможныхзвуковых помех.
Суть технологии WT–синтезасостоит в следующем. На самой звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с“зашитыми” в него образцами звучания настоящих музыкальных инструментов —сэмплами, а WT–процессор с помощью специальных алгоритмов даже поодному тону инструмента воспроизводит все его остальные звуки. Кроме   того многие производители оснащают своизвуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записыватьпроизвольные сэмплы, но и подгружать новые инструменты.
Кстати, управляющие командыдля синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, нои от другого, например, MIDI(Musical Instruments Digital Interface)устройства. Собственно MIDIопределяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDI–сообщениесодержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когдазвуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие нотыкаких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе. В своюочередь компьютер может через MIDIуправлять различными“интеллектуальными” музыкальными инструментами с соответствующим интерфейсом.
Для электронных синтезаторовобычно указывается число одновременно звучащих инструментов и их общее число(от 20 до 32). Также важна и программная совместимость аудио адаптера стиповыми звуковыми платформами (SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravis Ultrasoundи др.).
В качестве примерарассмотрим состав узлов одного из мощных аудиоадаптеров — SoundBlaster AWE 32 Value. Он содержит два микрофонныхмалошумящих усилителя с автоматической регулировкой усиления для сигналов,поступающих от микрофона, два линейных усилителя для сигналов, поступающих слинии, с проигрывателя звуковых дисков или музыкального синтезатора. Крометого, сюда входят программно–управляемый электронный микшер, обеспечивающийсмешение сигналов от различных источников и регулировку их уровня и стереобаланса, 20-голосый синтезатор музыкальных звуков частотной модуляции FM,программно управляемый волновой (табличный) синтезатор музыкальных звуков извуковых эффектов (16 каналов, 32 голоса, 128 инструментов), аналого–цифровой16-разрядный преобразователь для превращения аналогового сигнала с выходамикшера в цифровой сигнал, систему сжатия цифровой информации с возможностьюприменения расширенного звукового процессора ASP. Наконец, аудиоадаптеримеет цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для превращения цифровых сигналов,несущих информацию о звуке, в аналоговый сигнал, адаптивный электронный фильтрна выходе ЦАП, снижающий помехи от квантования сигнала, двухканальный усилительмощности по 4 Вт на канал с ручным и программно–управляемым регуляторомгромкости и MIDI–разъем для подключения музыкальных инструментов.
Как видно из этого перечня,аудиоадаптер — достаточно сложное техническое устройство, построенное на основеиспользования последних достижений в аналоговой и цифровой аудиотехнике.
В новейшие звуковые картывходит цифровой  сигнальныйпроцессор DSP(Digital Signal Processor)или расширенныйсигнальный процессор ASP(Advanced Signal Processor). Они используют совершенныеалгоритмы для цифровой компрессии и декомпрессии звуковых сигналов, для расширениябазы стереозвука, создания эха и обеспечения объемного (квадрофонического)  звучания. Программа поддержки ASPQSoundпоставляется бесплатно фирмой IntelнаCD-ROM“SoftwareDeveloperCD”. Важно отметить, что процессор ASPиспользуется при обычных двухканальных стереофонических записи ивоспроизведении звука. Его применение не загружает акустические трактымультимедиа компьютеров.
НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
Важной проблемой мультимедиаявляется обеспечение адекватных средств доставки, распространениямультимедиа–информации. Носители должны вмещать огромные объемы разнороднойинформации, позволять быстрый доступ к отдельным ее компонентам, качественноеих воспроизведение, и при этом быть достаточно дешевым, компактным и надежным.Эта проблема получила достойное решение лишь с появлением оптических дисковразличных типов. В первых системах мультимедиа были использованы  аналоговые диски — их обычно называют“видеодисками”. Диаметр этих дисков 12 или 8 дюймов. Известны 12–дюймовые дискистандарта LV(Laser Vision), поддерживаемого Sony, Philipsи Pioneer.
Информация записывается налазерный диск по спирали, каждый виток этой спирали называется дорожкой.Существуют 2 способа записи информации на лазерные диски — CAV (Constant Angular Velocity,с постоянной  угловой скоростью)и CLV (Constant Linear Velocity,с постоянной линейной скоростью). При записи CLVдиски вмещают по 1 часувидео на каждой из сторон (диски CLVназывают также “долгоиграющими”),однако их интерактивные возможности ограничены, поэтому они в системах мультимедиаиспользуются редко, чаще применяются при записи фильмов.
Диск CAVвмещает на каждой дорожке один видеокадр (точнее, дваполукадра, содержащие четные и нечетные строки кадра — телевизор работает винтерлейсном режиме, попеременно высвечивая четные и нечетные строки каждогокадра). Диск вращается с постоянной скоростью        30 об / с, обеспечивая необходимые для NTSC30кадров / с. Каждая из сторон диска имеет 54000 дорожек, т.е. вмещает 30 минутвидео NTSC(диски для PAL— 37 минут). Каждый кадр имеет свой номер, илиадрес, по номеру возможен прямой доступ к любому кадру. Кадры могуттрактоваться как неподвижные изображения — для этого после завершениясчитывания дорожки устройство не переходит на следующую, а вновь считывает туже самую); возможно также проигрывание с разными скоростями и в обратномнаправлении. Вместе с изображением записываются две звуковые дорожки,доступные, впрочем, только при просмотре кадров в режиме видео. Информацию надиске можно разбить на “части” — до 80 частей на каждой из сторон. Управляющаяинформация — номера кадров, номера частей — помещается в “бланковых”(невидимых) частях кадров.
Промежуточный,“аналого–цифровой” формат лазерных дисков — LVROM, или AIV (Advanced Interactive Video, улучшенноеинтерактивное видео)— позволяет сочетать на одном диске аналоговое видео с цифровым звукоми данными.
Наконец, существуют разныетипы чисто цифровых дисков: CD–ROM, WORM, стираемые. CD–ROM, каки цифровые аудио–компакт–диски CD–DA (Compact Disc— Digital Audio)имеютдиаметр 5.25 дюйма; они вмещают 500–600 Мбайт информации и являются сейчаснаиболее массовым цифровым средством доставки мультимедиа–информации.
CD–ROMдиск — кружок из прозрачнойпластмассы, поликарбоната, на одной из поверхностей которого нанесен тонкийсветоотражающий слой. Этот серебристый слой хорошо виден с тыльной стороныпрозрачного диска. В нем имеются микроскопические углубления — питы, созданныев процессе его копирования с оригинала.
Типичная длина пита 0.8 –3.2 мкм, ширина 0.4 мкм, глубина 0.12 мкм, а расстояние между отдельнымидорожками 1.6 мкм. На одном дюйме (2.54 см) поверхности диска размещается 16тыс. дорожек (для сравнения — на одном дюйме магнитного диска помещается только96 дорожек). Благодаря столь малым размерам питов обычный CD–ROMвмещает огромный объем информации — порядка 700 Мбайт. Новые типы дисков имеютна порядок больший объем и допускают запись информации пользователем.
Рабочей является только однаповерхность диска CD–ROM. Она защищена толстым слоемлака, на который обычно наносится красочная этикетка. В проигрывателе дискобращен этой стороной наружу. Противоположная (тыльная) сторона используетсядля считывания лазерным лучом. Луч проходит сквозь нее, так как основа диска —прозрачная пластмасса. Толщина диска 1.2 мм, внешний диаметр 120 мм, диаметрвнутреннего отверстия 15 мм.
В проигрывателе имеетсяэлектродвигатель со следящей системой, мой, обеспечивающей точное считываниедорожки лазерным лучом и неизменную линейную скорость считывания. Поэтомускорость вращения диска непостоянна и изменяется от 500 об. / мин. длявнутренней части диска, с которой начинается считывание, до 200 об. / мин. длявнешней. Специальный оптико–электронный блок имеет устройства для стабилизацииизлучения лазера, автоматической фокусировки, слежения за дорожкой при биениидиска и выбора треков диска для считывания.
Для считывания информации с CD–ROMиспользуется полупроводниковый диод с фокусирующей и следящей оптическойсистемой. Внутренняя поверхность диска, на которую кладут диск на подставку (вкассету) дисковода, находится не в фокусе оптической системы лазерногоизлучателя. Диаметр светового пятна от лазера, создающего сходящийся конуссвета, порядка 1 мм. Поэтому умеренные загрязнения нерабочей поверхности, например,пылинки на ней, отпечатки пальцев и даже небольшие царапины практически невлияют на воспроизведение. В отличие от привычных жестких магнитных дисков,диски CD–ROMможно заменять в считанные секунды. А ведь одиндиск CD–ROMпо емкости равен примерно 500–м обычным гибкимдискам формата 3.5“ на 1.44 Мбайт. Экономия на дискетах является немаловажнымдостоинством мультимедиа.
Проигрыватели компьютерныхкомпакт–дисков, обычно называемые CD–ROM–драйвами, бывают двухтипов: внешние (со своим корпусом) и внутренние — встраиваемые в системный блоккомпьютера. Последние напоминают накопители на гибких магнитных 5.25–дюймовыхдискетах и имеют одинаковые с ним размеры.
На передней панели дисковода CD–ROMобычно имеется кнопка Ejectдля выброса или плавноговыдвижения поддона, индикатор Busy (занято), гнездо для подключения стереотелефонов и регулятор громкости,используемый при проигрывании звуковых дисков.
Полноценное “вооружение” мультимедиа–ПК требуетподключения к нему множества внешних устройств: аудио– и видеоадаптеров,телевизионных и радио–тюнеров, дисководов CD–ROM, джойстиков, клавиатуры MIDIит.д. Все они обслуживаются массой программных утилит — драйверов и нередкоконфликтуют друг с другом. В этой связи крупные разработчики ПК объединилиусилия в создании стандарта Plug and Play(включай и играй). Этот стандарт — обширный комплекс программных и аппаратных средств пополностью автоматической настройке конфигурации компьютера в соответствии сиспользуемым с ним оборудованием.
Технология PnP(или Plug’n’Play)предполагает, что достаточно включить компьютер, как все аппаратные ипрограммные средства автоматически оптимально настроятся и станут работать безсбоев и конфликтов.