комплекса, или время восприятия информации, инерционность зрения, к которым приходится подстраивать программно-технические комплексы. Поскольку высококачественное изображение требует очень больших объемов памяти для хранения каждого кадра изображения, для воспроизведения фильмов необходимо выводить на экран не менее 24 кадров в секунду (чтобы устранить мелькание изображения), а человеку необходимо для восприятия изображения не менее 30 с., для хранения фильмов реальной длительности в цифровом виде нужны запоминающие устройства очень большого объема. Это удорожает такие системы и приводит к поиску способов сжатия информации, для чего нашли широкое распространение как программные, так и аппаратурные преобразователи. Обилие разновидностей обрабатываемой в системах компьютерной графики и анимации информации приводит к необходимости использования различных устройств ввода: клавиатур, систем координатного ввода, оптических читающих устройств, устройств ввода акустической информации, анимационных устройств ввода и др. и соответствующих устройств вывода информации: дисплеев, графических экранных станций синтезаторов .речи, акустических систем, анимационных устройств вывода и др.
Всоставанимационных устройств ввода-вывода входят видеокамера,
видеомагнитофон и телевизор, а также преобразователи видеосигналов.
Воснове цветного телевидения лежат особенности человеческого зрения: глаз имеет ограниченную разрешающую способность - две точки, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, воспринимаются глазом слитно; цветовое восприятие человека субъективно: слабый фиолетовый сигнал
воспринимается как красный; сильный (яркий) фиолетовый имеет серый оттенок.
Три цветные элементарные точки на экране образуют триаду. Для того чтобы триада воспринималась как одна точка, угловое расстояние между отдельными точками должно быть меньше одной минуты. При расстоянии от глаза до экрана 1 м линейные размеры точек должны составлять доли миллиметра. При диагонали экрана 61 см общее число триад на экране должно быть около 500 000 (это эквивалентно 1000 пиксел при 500 пикселных строках).
Стандарт телевидения - 525 строк на экране. При чересстрочной развертке частота смены полукадров - 50 герц. Для того чтобы видеосигнал мог перенести каждый элемент кадра (триаду), он должен иметь частоту (f): f=N/2T,
где N - число элементов изображения (триад) на экране; Т - время передачи одного кадра (1/25 с).
Тогда f=500000/(2/25)=6250000=6,25 МГц.
Это достаточно большая частота, но для передачи видеосигнала от телецентра к телевизионному приемнику необходима радиочастота, примерно в 10 раз большая. Поэтому диапазон частот телевещания охватывает частоты от 48,5 до 230 МГц.
Несущая частота используется как энергия для переноса информации. Когда на нее накладывается видеосигнал, образуются модулированные радиочастотные колебания. Сам процесс наложения видеосигнала на несущую частоту называется модуляцией.
Полный телевизионный сигнал должен' нести информацию о яркости, цвете изображения и звуке. Для получения устойчивого изображения на экране прорисовка каждого кадра на передающей камере в телецентре и в телевизионном приемнике должна начинаться в одно и то же время, т.е. синхронно. Поэтому полный телевизионный сигнал включает в себя и синхроимпульсы кадровой и строчной развертки.
Видеокамера представляет собой устройство, преобразующее визуальное изображение в аналоговые электрические сигналы.
Основным блоком, воспринимающим изображение в видеокамере, является электронно-лучевой прибор, который по своему устройству напоминает электронно-лучевую трубку: в нем также имеется катод, анод, сетка, отклоняющая и фокусирующая системы. Электронный луч постоянно перемещается, формируя растровую развертку на специальном экране - мишени. Мишень выполнена из диэлектрической пластинки (например, слюды), с одной стороны которой наклеена металлическая фольга, а с другой, - напылен серебряно-цезиевый состав. Напыление производится так, что серебряно-цезиевый состав образует отдельные, электрически не связанные между собой пятна очень маленьких размеров (примерно 1000 пятен в строке и 625 строк на пластинке). Каждое такое пятно образует пиксел, т.е. наименьший элемент изображения.
В отличие от ЭЛТ мишень установлена под углом 45° к падающему на нее потоку электронов. Поток электронов формирует растр на поверхности мишени, покрытой серебряно-цезиевым составом. На ту же поверхность через оптическую систему проецируется изображение.
Пятна серебряно-цезиевого состава с одной стороны мишени и фольга -с противоположной ее стороны образуют электрические конденсаторы. При отсутствии изображения (вся мишень затемнена) электронный луч заряжает эти конденсаторы. Когда на мишень попадает изображение, часть серебряноцезиевых пятен засвечивается. Свет имеет электромагнитную природу: попадая на серебряно-цезиевые вкрапления, он способствует уходу из них электронов, вследствие чего соответствующие конденсаторы разряжаются, причем сила разряда пропорциональна яркости света. При повторном сканировании мишени электронный луч дозаряжает разряженные конденсаторы, в результате чего на противоположной обкладке конденсатора фиксируется возникновение электрического тока, величина
которого пропорциональна степени разряда элементарного конденсатора (которая, в свою очередь, зависит от яркости изображения, попавшего на этот пиксел). Сигнал, снятый с фольги на мишени, после усиления является носителем изображения и может быть записан на магнитный носитель или передан на приемник телевизионного изображения.
Если в таком приборе производится однократное считывание информации, которое после оцифровки запоминается, то прибор является видеофотокамерой.
Видеомагнитофон - это устройство, воспринимающее высокочастотный телевизионный сигнал для записи его на магнитную ленту. После окончания записи телевизионный сигнал (хранящийся на видеокассете) может быть считан с магнитной ленты и воспроизведен на телевизионном устройстве.
Таким образом,видеомагнитофон - это запоминающее устройство, специализирующееся на приеме, записи и воспроизведении динамической видеоинформации.
Структурная схема видеомагнитофона приведена на рис.143.
Рис. 143. Структурная схема видеомагнитофона Для приема высокочастотного телевизионного сигнала служит тюнер - приемник телевизионных сигналов.
Видеомагнитофон - устройство сложное и дорогое. Поэтому среди бытовой телевизионной аппаратуры появились специализированные устройства, выполняющие отдельные функции: плеер- устройство, позволяющее считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения на телевизоре; пишущий плеер - устройство, позволяющее записывать видеоизображение с телевизора (который выполняет функцию тюнера) на видеокассету и считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения ее на телевизоре.
При записи на магнитную ленту осуществляется преобразование приходящего видеосигнала из временной формы в пространственную. Частотные характеристики сигнала при таком преобразовании должны оставаться прежними. При ширине рабочего зазора магнитной головки 0,4 микрона для записи видеосигнала с верхней граничной частотой 6 МГц
скорость движения ленты относительно головки должна составлять 2,4 м/с. Видеокассеты с 250 м ленты при такой скорости хватит лишь на несколько минут.
Для уплотнения информации на ленте и для более полного использования ее поверхности применяются вращающиеся магнитные головки. Принцип действия вращающихся магнитных головок приведен на рис.144, а.
Рис. 144. Принцип действия вращающихся магнитных головок На диаметрально противоположных сторонах вращающегося барабана
располагаются две магнитные головки, работающие по очереди. Барабан имеет направление вращения под углом 6° к магнитной ленте (рис.144, б). Благодаря этому видеодорожки на магнитной ленте наносятся под углом (штрихами) (рис.144, в). Каждый штрих соответствует полукадру экрана. За один полный оборот барабана записывается весь кадр. Вращение барабана синхронизировано с принимаемым сигналом. Такая система позволяет сократить линейную скорость движения ленты до 2,34 см/с. Барабан вращается со скоростью 1500 об/мин. Скорость ленты относительно головок на барабане составляет 5 м/с.
Помимо приема, записи и считывания видеоинформации, видеомагнитофоны могут выполнять дополнительные функции, что расширяет возможности их использования и позволяет реализовать различные видеоэффекты.
К дополнительным функциям относятся:
1.Регулировка скорости и направления протяжки магнитной ленты:
стандартная скорость - 2,34 см/с;
половинная скорость (long play) -1,17 см/с (позволяет при записи увеличить емкость кассеты в два раза (для кассеты Е-240 - до 8 ч), при воспроизведении реализовать эффект slow motion - замедленного движения);
ускоренное воспроизведение (fast motion), которое может быть реализовано за счет записи на половинной скорости, а воспроизведения - на стандартной;
стоп-кадр, который реализуется за счет остановки двигателя перемотки ленты: вращающиеся магнитные головки многократно считывают один и тот же кадр (этот режим называется суперпаузой);
обратное воспроизведение (reverse play).
2.Цифровые эффекты: в видеомагнитофоне может использоваться микропроцессорное управление, производиться оцифровка видеосигнала, использоваться цифровая память для хранения в ней нескольких кадров. Это позволяет реализовать следующие эффекты:
картинка в картинке: на экране телевизора, кроме основного, выводится один или несколько фоновых кадров. В фоновом кадре могут находиться меню для управления видеомагнитофоном или телевизором или сжатые примерно в 9 раз кадры из других телевизионных программ. Фоновый кадр, называемый кадром врезки, может быть выведен в любой части экрана. Есть возможность быстро поменять местами фоновый и основной кадры (эта функция характерна только для видеомагнитофона и не может быть реализована в плеерах);
воспроизведение стоп-кадров из цифровой видеопамяти (функция удобна для изучения движения, например, в спорте). Экран при этом может быть разбит на несколько частей, в каждой из которых демонстрируется один из последовательных кадров;
экстраэффекты: мозаика (изменение числа элементов изображения на экране, например укрупнение пиксел); соляризация (ограничение числа градаций уровня серого);
цифровое шумоподавление: сопоставляются кадры, записанные на разных страницах цифровой памяти: полезные видеосигналы последовательных кадров коррелируют между собой, тогда как помехи - нет. Это позволяет очищать изображение от помех.
3.Наложение звука (audio dubbing) позволяет дублировать видеоинформацию, накладывая на нее дополнительное звуковое сопровождение.
4.Поиск по индексу (index search) позволяет наносить на ленту специальные метки и легко находить их в режиме поиска или перемотки.
354
5.Таймер позволяет программировать видеомагнитофон на запись телепередачи в определенный момент времени (программируются момент начала записи и ее продолжительность).
6.Редактирование вставкой (insert edit) позволяет сделать вставку в ранее записанный сюжет без образования шумов в местах стыков.
В телевидении используется только динамическая видеоинформация. Поскольку зрение человека обладает определенной инерционностью, передаваемое изображение не обязательно должно быть непрерывным, оно может состоять из отдельных кадров, сменяющих друг друга не реже 16 раз в 1 с (телевизионный стандарт - 25 кадров/с). Воспринимается такое изображение как непрерывное. Но поскольку телевизионное изображение для долгого хранения не предназначено, в телевизорах отсутствует видеопамять. Принимаемый сигнал направляется непосредственно на электронно-лучевую трубку, высвечивая необходимые точки экрана.
На передаваемый по радиочастотному каналу телевизионный сигнал действуют гораздо более сильные помехи, чем в видеотракте ПЭВМ. Поэтому при кодировании телевизионного сигнала применяются методы, отличные от методов кодирования сигнала изображения в ЭВМ.
Для пересылки цветного изображения необходимо передавать три сигнала: R (red); G (green); B (blue). Они определяют яркость и цвет изображения. Но зрение человека более чувствительно к яркости, чем к цвету, а мелкие детали изображения по цвету почти не различаются.
Яркость (Y) образуется из яркостей трех основных цветов, т.е.
Y=R+G+B.
Незначительное искажение хотя бы одного из сигналов - R, G или В - приведет к изменению яркости, к которой глаз особенно чувствителен. А проверить, был ли искажен принятый сигнал при передаче основных цветов, невозможно.
В телевидении с целью совместимости черно-белого и цветного изображений вместо сигналов R, G и В передаются другие три сигнала: Y - яркость, и цветоразностные сигналы - синий (В - Y) и красный (R - Y). Причем эти сигналы передаются с помощью различных видов модуляции: Y - с помощью амплитудной модуляции, цветоразностные сигналы - с помощью частотной модуляции.
В зависимости от того, как именно передаются цветоразностные сигналы, различаются две системы цветного телевидения - СЕКАМ (советскофранцузская) и ПАЛ (германская).
В системе СЕКАМ цветоразностные сигналы передаются через строку поочередно, на разных несущих частотах. Причем полная информация о цвете передается в двух строках, в результате чего каждая пара строк оказывается одноцветной (но из-за чересстрочной развертки одноцветные строки не находятся рядом).
В системе ПАЛ цветоразностные сигналы передаются одновременно на одной поднесущей частоте со сдвигом фаз на 90°.
Преобразование телевизионных сигналов в компьютерные заключается в выделении сигналов Y, B-Y, R-Y и синхроимпульсов, их очистке от сигналов звукового сопровождения и вычислении по ним сигналов R, G, В и адресов пиксел на экране. Преобразование осуществляется видеоплатами (Video Biaster, Video Recorder, Video Converter), работающими с адаптером VGA
или SVGA (адаптер дисплея должен иметь дополнительный внутренний разъем, к которому видеоплата подключается с помощью ленточного кабеля). Иногда видеоплаты (как, например, Tuner Biaster) имеют антенный вход, что позволяет обходиться без телевизионной аппаратуры.
Фирма Micro Computer AG выпускает полный набор алпаратурнопрограммных средств для обработки телевизионных изображений, позволяющих записывать видеоизображение с ЭВМ на видеомагнитофон (и считывать в память ЭВМ видеозаписи с магнитофона), воспроизводить изображение из ЭВМ на телевизоре. Видеоконвертер Micro Movie позволяет оцифровывать телевизионные изображения, сохранять их в ЗУ ЭВМ для обработки графическим редактором, использования в публикациях, вставки их после редактирования и т.д.
Аппаратный набор видеоконвертера состоит из платы адаптера дисплея для ШМ PC, которая объединяет возможности адаптера SVGA и адаптера Frame Grubber, оцифровывающего видеоизображение в реальном масштабе времени.
10.6. Устройства ввода-вывода звуковых сигналов
Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов; сопровождение фонового процесса звуковыми эффектами способствует возникновению образного представления об особенностях их протекания, информирует пользователя о наступлении ожидаемого события, привлекает к себе внимание и др. (так, о появлении сообщения в электронной почте может информировать звук падающей газеты или защелкивание крышки почтового ящика; перекачка информации может сопровождаться журчанием ручейка,...).
Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение. Можно выделить три направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:
бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых -медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров,...). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем - от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;
мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов,...); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видеотелеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);
профессиональные мультимедиа системы - это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты,...), воспроизвести или записать на
стандартную звукозаписывающую аппаратуру,...). 10.6.1. Физические основы генерации компьютерного звука
Звук - это механические колебания (вибрация) упругой среды (газ, жидкость,
твердое тело).
Чистый звуковой тон представляет собой звуковую волну, подчиняющуюся синусоидальному закону:
у =am* sin(wt) = аm*sin(2пft),
где am - максимальная амплитуда синусоиды; w - частота (w=2пf); f- количество колебаний упругой среды в секунду (f=1\T); Т-период; t - время (параметрическая переменная).
Звук характеризуется частотой (f), обычно измеряемой в герцах, т.е. количеством колебаний в секунду, и амплитудой (у). Амплитуда звуковых колебаний определяет громкость звука.
Для монотонного звука (меандр) характерно постоянство амплитуды во времени.
Затухающие звуковые колебания характеризуются уменьшением амплитуды с течением времени.
Человек воспринимает механические колебания частотой 20 Гц - 20 КГц (дети - до 30 КГц) как звуковые. Колебания с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, колебания с частотой более 20 КГц - ультразвуком. Для передачи разборчивой речи достаточен диапазон частот от 300 до 3000 Гц.
Если несколько чистых синусоидальных колебаний смешать, то вид колебания изменится - колебания станут несинусоидальными.
Особый случай, когда смешиваются не любые синусоидальные колебания, а строго определенные, частота которых отличается в два раза (гармоники). Основная гармоника имеет частоту/, и амплитуду а1; вторая гармоника - частоту f2 и амплитуду а2; третья гармоника соответственно f3 и a3.
Причем f1<f2<f3, а1>а2>а3,
При бесконечном количестве таких гармоник образуется периодический сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов (рис.145).
Рис. 145. Последовательность прямоугольных импульсов:
Т - длительность периода; tи длительность импульса; tп - длительность паузы между импульсами; Q - скважность импульсов, Q=Tп/tи
На слух всякое отклонение от синусоиды приводит к изменению звучания. В IBM PC источником звуковых колебаний является динамик (PC Speaker), воспроизводящий частоты приблизительно от 2 до 8 КГц. Для генерации звука в PC Speaker используются прямоугольные импульсы.
Синусоидальные сигналы в ЭВМ можно получить только с помощью специальных устройств - аудиоплат.
Без таких устройств хорошего качества звучания добиться не удается. Для улучшения качества звучания необходимо к ЭВМ подключить внешнюю аппаратуру. При этом следует преобразовать дискретные сигналы ЭВМ в аналоговые сигналы аудиоаппаратуры. Такое преобразование можно
выполнить с помощью схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП), например, реализованной на аналоговом сумматоре (рис.146), подключаемом к параллельному интерфейсу Centronics (LPT1 или LPT2).
Рис.146. Цифро-аналоговый преобразователь Поскольку ЭВМ работает с дискретными сигналами - импульсами, а звук
представляет собой аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся) сигнал, для ввода звуковых сигналов необходимо их оцифровывать.
Способов оцифровки аналогового сигнала существует много. Рассмотрим три из них.
1.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу измерения напряжения.
2.Время-импульсное кодирование аналогового сигнала (клиппирование).
3.Спектральный анализатор.
Измерительные АЦП имеют принцип действия, понятный из рис.147. Амплитуда аналогового сигнала измеряется через определенные промежутки времени - кванты. Полученные числовые значения являются цифровыми величинами, характеризующими аудиосигнал. Величина промежутков времени, через которые производится измерение амплитуды аудиосигнала называется шагом квантования, а сам процесс называется оцифровкой звука.
