Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»
В.Н. Локтюхин
СОСТАВ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО КОМПЬЮТЕРА. БЕСПРОВОДНЫЙ КОММУНИКАЦИОННЫЙ ИНТЕРФЕЙС
Лекции по курсу «Архитектура ЭВМ и систем»
Рязань 2012
5. Состав мультимедийного компьютера
Мультимедиа (ММ) – это современная компьютерная технология, позволяющая объединить в компьютере ввод, обработку и получение текста, звука, видео- и графических изображения, анимаций и т. д. (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Состав мультимедийного компьютера и его компонентов
Такая интеграция видов информации осуществляется под управлением компьютера с использованием разнообразных устройств регистрации и воспроизведения: микрофона, аудиосистемы (динамики, наушники и т. д.), проигрывателя компакт-дисков (CD-ROM, CD-DVD), смартфона, телевизора, видеомагнитофона, видео- и фотокамеры, электронных музыкальных инструментов и др.
Для построения ММ-компьютеров, наряду со стандартными средствами (монитором, клавиатурой, дисководами для жестких и гибких дисков и CD-ROM, сканерами, графопостроителями), необходимы специальные средства: аудио- и видеокарты, DVD-накопители и другие устройства (см. рис. 5.12)
Аудиоадаптеры
Аудиоадаптер, или звуковая карта (ЗК), – это специальное устройство, например в виде отдельной платы, с помощью которого можно записывать звук (речь, музыку, звуки реального мира), воспроизводить полученную запись, создавать (синтезировать) звук, не загружая при этом ЦП. В настоящее время ЗК чаще всего встраивают в состав южного моста управляющего чипсета, устанавливаемого на системной плате персонального компьютера.
Запись и представление звука в виде файла
Процесс оцифровки звукового сигнала, т. е. его преобразования в цифровой вид и представления в виде специального сигнального файла, показан на рис. 5.11.
Рис. 5.11. Получение звуковых сигналов в виде файлов VAW и VOC
Выходной сигнал микрофона или любого проигрывателя представляет собой аналоговый сигнал V(t). При работе аудиоадаптера в режиме записи вначале производится дискретизация сигнала V(t) через тактовые интервалы Т. Полученные выборки V(i) преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в код N(i). Набор значений кодов N(i) записывается на дисковый накопитель как сигнальный файл с расширением WAV.
В большинстве звуковых карт применяют частоту дискретизации Fд = 1/T = 44,1 кГц, т. е. за одну секунду формируется 44 100 выборок V(i) и их преобразований в коды N(i). Для двухканальной стереозвуковой карты частота Fд = 22,05 кГц для каждого канала. Точность оцифровки звукового сигнала V(t) в код N определяется разрядностью АЦП и составляет обычно 16 бит.
Для специальных применений, включая объемное звучание, выпускаются дорогостоящие многоканальные 24‑битовые (и более) аудиоадаптеры с частотой дискретизации 96 и даже 192 кГц, устанавливаемые в слоты шины PCI или PCI Express. Также имеются более дешевые внешние модели аудиоадаптеров, подключаемые к компьютеру через порт USB.
Сигнальные WAV-файлы требуют много дисковой памяти для своего хранения, поэтому звуковые карты должны аппаратно сжимать данные. Сжатие может производиться без потери или с потерей части информации об исходном сигнале при последующем восстановлении. Сжатие без потерь может производиться по алгоритму ADPCM обеспечивает импульсно-кодовый (ИК)-модулятор (см. рис. 5.13), формирующий коды приращений DN(i) = N(i) – N(i‑1). На выход поступает сжатый VOC-файл. Применение известных алгоритмов сжатия без потерь обеспечивает сокращение объема исходного сигнального WAV-файла на 20 и 50%.
Алгоритмы сжатия с потерями (наиболее известные МР3, MPEG‑2 ААС (Advanced Audio Coding), MPEG‑4 ААС) позволяют уменьшить размер файла в 7–14 раз. Это достигается удалением из сигнала-оригинала слабослышимых деталей и обрезания частотного диапазона.
Воспроизведение звуковых WAV- и VOC-файлов
Полученные при записи цифровые значения звуковых сигналов хранятся в виде файлов типа WAV. Их обратное преобразование в аналоговый сигнал V(t) осуществляет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Его выходной сигнал усиливается и подается на динамик для воспроизведения звука (рис. 5.12).
Рис. 5.12. Схема воспроизведения звуковых файлов
Чтобы сформировать звуковой сигнал из исходного сжатого файла его необходимо предварительно преобразовать в файл формата WAV. Это выполняется в звуковой карте аппаратно (с привлечением цифрового сигнального процессора) или программно путем декомпрессии (декодирования). Восстановленный сигнальный WAV-файл преобразуется с помощью ЦАП в соответствующий ему звук.
Современные аудиоадаптеры и цифровые плееры имеют несколько каналов формирования объемного звука на основе декодирования исходного, определенным образом сформированного звукового файла в соответствии с установленным стандартом многоканального звука. В качестве примера можно привести стандарт Dolby Digital 6.1 для декодирования шестиканального звука. Здесь звук представлен пятью каналами окружающего звука (левым, правым, центральным и двумя фронтальными) и одним низкочастотным каналом; компрессия (кодирование) звука в цифровую форму осуществляется с коэффициентом 12:1 в соответствии со стандартом Dolby Digital АС3.
Воспроизведение MIDI-файлов
Во многих программах звуковые эффекты воспроизводятся с помощью файлов стандарта MIDI (Musical Instrument Digital Interface). Эти файлы (с расширением MID) представляют собой набор коротких 8‑битовых команд, согласно которым синтезатор MIDI на звуковой плате воспроизводит звуки музыкальных инструментов, хранящиеся в памяти платы.
Схема воспроизведения звуков гитары и баса, хранящихся в памяти карты, показана на рис. 5.13. С длительностью до 0,25 с для гитары воспроизводится нота «до» с использованием фрагмента звучания гитары, а для баса – нота «ми» с использованием звучания баса.
Рис. 5.13. Воспроизведение MIDI-файлов
Поскольку сообщения MIDI представляют собой короткие 8‑битовые команды, то MIDI-файлы занимают намного меньше места, чем файлы WAV.
Синтез звука
FM-синтез – синтез с частотной модуляцией FM (Frequency Modulation) основан на том, что сигнал сложной формы можно сформировать из простых гармонических сигналов. На рисунке 5.14 изображены синусоидальные сигналы: сигнал с высокой частотой формирует высокий тон звука, амплитуда сигнала определяет громкость звука.
Рис. 5.14. Сигналы с различной частотой Fнес = 1/Tнес
Цифровой FM-синтез звука осуществляется с использованием специальных цифровых генераторов сигналов, называемых также операторами. Различают 2- и 4-операторные FM-синтезаторы.
WT-синтез – это синтез звука на основе образцов живых звуков, образующих таблицу волн (Wave Table), хранящихся в памяти звуковой карты. WT‑синтез, точнее передает звуки.
MIDI-синтез – синтез различных звуков и мелодий под управлением файла, содержащего последовательность команд MIDI. Озвучивание MIDI-файла с диска производится с помощью MIDI-синтезатора. Под ним понимается набор аппаратных средств звуковой карты, содержащей синтезаторы FM и WT, процессор для цифровой обработки сигналов, память для хранения фрагментов звучания инструментов, а также программная поддержка работы этой аппаратуры.
Управляющие синтезом звука команды MIDI могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от специальных музыкальных инструментов, например электронного клавесина. Эти команды передаются с него в карту через специальный MIDI-интерфейс ПК. В свою очередь, ПК через MIDI-интерфейс управляет различными «интерактивными» инструментами.
Видеокарты для мультимедиа
Прогресс в области видео происходит значительно быстрее по сравнению с развитием аудиосредств, что связано с большим числом сфер применения видео (издательские системы, кино- и телестудии, обработка изображений и т. д.). Здесь видеосредства (видеокамеры, фотоаппараты, видеомагнитофоны, телевизионные тюнеры, телевизоры) должны сопрягаться и работать совместно с компьютером.
Видеокарта для мультимедиа является развитием типовой графической карты с интерфейсом PCI Express х16. Видеокарта, наряду с формированием 3D-графики, должна аппаратно реализовывать множество новых функций: преобразование VGA-изображения на мониторе в видеосигнал телевизионного приемника и обратное преобразование (называемое также захватом видеосигнала), компрессия (кодирование) и декомпрессия (декодирование) видеоизображений различных форматов, преобразование видеосигналов в цифровую форму и др.
Эти функции реализуются в видеокартах с помощью следующих функциональных блоков.
TV-тюнер. Преобразует телевизионный сигнал, поступающий с антенны или кабеля, в видеосигнал и аудиосигнал с выводом на экран изображения со звуковым сопровождением. Обычно в комплект с TV-тюнером входит программное обеспечение для операционной системы Windows, позволяющее переключать каналы, изменять громкость и параметры изображения.
Фрейм-граббер. Производит оцифровку и сохранение отдельных кадров телеизображения. Кадры в начале запоминаются в собственной памяти фрейм-граббера, а затем сохраняются на диске или выводятся через видиоадаптер в окно на мониторе ПК.
Преобразователь VGA-TV. Преобразует VGA-изображение на экране монитора в аналоговый TV‑сигнал для последующего вывода изображения на бытовой телевизор. Как правило, преобразователь поддерживает телевизионный стандарт PAL и NTSC. В некоторых преобразователях допускается совмещать компьютерную графику с телевизионным изображением, например для создания титров.
Блок захвата. Обеспечивает получение видеосигнала и его первичную обработку: автоматическое усиление, аналого-цифровое преобразование, гребенчатую фильтрацию и шумоподавление.
Блок кодирования (компрессии). Поддерживает либо преобразование захваченного цифрового сигнала в другой формат, либо его приведение к другому разрешению.
Блок декодирования (декомпрессии). Позволяет воспроизвести видеосигнал, закодированный в таких современных форматах, как MPEG-2, MPEG-4, H.264, WMV9 и др. При этом распаковку сжатых данных осуществляет специализированный процессор. Его наличие в составе видеокарты позволяет, в частности, воспроизвести на экране компьютера высококачественный полноформатный видеофильм, записанный на DVD‑диск.
Блок вывода изображения поддерживает работу двух дисплеев с помощью двух независимых симметричных конвейеров.
Ряд видеокарт с интерфейсом PCI Express х16 поддерживает параллельную работу двух видеокарт в режиме SLI, позволяющем примерно в 1,5 раза повысить производительность видеосистем для 3D‑приложений.